А был ли терракт?
О некоторых разновидностях аварий на железных дорогах
Гликман А.Г.
НТФ "ГЕОФИЗПРОГНОЗ"
Санкт-Петербург
Статья написана по заказу строительного журнала
ноябрь 2007
По мере совершенствования того или иного вида транспорта, безопасность его обязательно должна возрастать. И это так и есть, что касается автомобилей, самолетов... Однако на железнодорожном транспорте происходят диаметрально противоположные процессы. Если судить по сообщениям СМИ и интернета, то, по мере совершенствования как рельсового пути, так и самих составов, аварии с поездами происходят все чаще.
Анализ характера аварий в последнее время показывает, что частота их на железной дороге увеличивается за счет прироста количества весьма своеобразных случаев. Дело в том, что увеличивается количество аварий, причины которых так и остаются неизвестными. Причем у этих аварий наблюдается один и тот же сценарий.
Он заключается в следующем.
Под движущимся железнодорожном составом происходит мгновенное разрушение насыпи. При этом те вагоны, которые в момент разрушения насыпи не прошли эту зону разрушения, отрываются от той части состава, которая успела ее миновать. Свидетелей, которые могли бы видеть этот процесс со стороны, как-то до сих пор не было, и об аварии судят только по последствиям. А последствия таковы, что часть вагонов вместе с локомотивом остаются целыми и невредимыми, а остальные - оказываются отцепленными, и в той или иной мере, поврежденными. Разрыв же состава и разрушение части насыпи воспринимается обычно как следствие либо неисправности подвижного состава (обычно называют виновником подшипники колесных пар), либо аварийного состояния полотна. А то и теракта.
Однако иногда последствия аварии таковы, что привести обычно называемые причины в принципе невозможно. Так, при крушении поезда 15 июня 2005г. в Тверской области в 18 километрах от Ржева на перегоне Зубцов-Аристово Московского отделения Октябрьской железной дороги сошли с рельсов 24 вагона с мазутом грузового поезда. Всего в поезде было 60 цистерн с мазутом. Экологические последствия этой аварии были таковы, что замолчать ее было невозможно. Понятно, что в первых же сообщениях в качестве виновных были названы все обычные факторы - и пресловутые подшипники, и повышенная влажность грунта. Однако разрушение насыпи и полотна было настолько масштабным, что это никак не могло следствием схода поезда, а при наличии причинно-следственных связей - только причиной.
В приложении к статье дается перечень однотипных аварий всего за один месяц. Мне непонятно, почему при таком количестве однотипных аварий до сих пор не сделан анализ образовавшейся таким образом системы... Любой анализ неизбежно привел бы нас к выводу, что причину столь одинаковых необъяснимых аварий следует искать не в устройстве путей или подвижного состава, а в чем-то независимом от нас, и при этом общем для железнодорожных путей. Скажем, в геологии.
Если предположить, что причиной аварии стало мгновенное разрушение насыпи, то возникает вопрос: а может ли такое быть обусловленным геологическими причинами? Существуют ли такие явления, которые выглядят как мгновенная просадка грунта? Оказывается, такие явления известны. Они называются горными ударами или техногенными землетрясениями.
В названии "техногенные землетрясения" кроется понимание того, что они возникают под воздействием технических средств. Как и природные, техногенные землетрясения по степени воздействия проявляются в очень широком диапазоне. От едва ощутимых ударов по пяткам, и до мгновенного провала существенных участков территории вместе с находящимися на ней сооружениями. Под воздействием горных ударов гибнут подземные выработки в шахтах и рудниках (например, на Североуральском бокситовом руднике), страдают карьеры (например, на Таштаголе), взрываются насосные газпромовские станции...
Нет ни одного научно-исследовательского коллектива горной тематики, чтобы там не пытались найти подход к прогнозированию этого явления. Однако прогнозирование любого явления становится возможным только при одном условии - когда известна физика этого явления. Ведь непосредственно прогноз - это экстраполяция в перспективу тех процессов, которые предшествуют прогнозируемому явлению и подготавливают его.
Прогноз горных ударов стал возможен после начала развития сравнительно нового направления в геофизике - спектральной сейсморазведки [1,2]. Основой спектральной сейсморазведки являются сравнительно недавно выявленные акустические свойства земной толщи. Как оказалось, по акустическим свойствам земная толща является не совокупностью отражающих границ (как раньше считалось), а совокупностью колебательных систем. Это значит, что при ударном (а в общем случае, широкополосном) воздействии на земную толщу, реакция представляет собой гармонический затухающий сигнал или сумму гармонических затухающих сигналов.
Значение этого нового понимания акустических свойств земной толщи трудно переоценить. Если до сих пор мы считали опасными по возможным резонансным явлениям лишь инженерные сооружения, то теперь, как оказалось, необходимо учитывать эти моменты и применительно к самой основе всего нашего бытия - к земной тверди. Которая, стало быть, оказалась не такой уж и твердью.
Важнейшей характеристикой колебательной системы и, соответственно, порождаемого ею колебательного процесса, является его добротность. Чем выше добротность, тем медленнее затухает гармонический (синусоидальный) процесс. С другой стороны, чем выше добротность, тем ярче, сильнее, динамичнее может проявляться резонансное явление.
Резонанс - это совпадение собственной частоты колебательной системы с частотой внешнего воздействия. Он (резонанс) проявляется в том, что если некий вибрирующий объект (насос, генератор или просто двигатель автомобиля) оказывается вблизи колебательной системы, то при приближении частоты вибратора к собственной частоте колебательной системы амплитуда вибрации начинает возрастать. При совпадении этих частот (то есть, на резонансе) амплитуда вибрации возрастает во столько раз, чему равна добротность колебательной системы.
Более конкретную информацию о колебательных свойствах земной толщи удалось получить с помощью спектральной сейсморазведки, которая начала свое существование после того, как удалось связать частоты возникающих при ударе гармонических затухающих процессов с толщинами (мощностями) залегающих в земной толще геологических структур.
Любой исследовательский метод является источником вполне определенной информации. Спектральная сейсморазведка оказалась источником информации о зонах тектонических нарушений (ЗТН). Можно сказать, что ЗТН является основным объектом спектральной сейсморазведки.
Так вот, оказалось, что добротность колебательных систем, залегающих в земной толще, возрастает в ЗТН, и может достигать значения, равного 100 и даже более того. И следовательно, амплитуда вибрации поверхности грунта под вибрирующим механизмом может во столько раз увеличиваться за счет резонансного явления.
Однако увеличиваться амплитуда колебаний до какой угодно величины не может. Как только увеличивающаяся при резонансе амплитуда колебаний достигнет величины, соответствующей пределу упругости грунта, он разрушится, и мгновенно образуется провал, и в него провалится само вибрирующее устройство.
Таким вот вибратором может оказаться движущийся поезд. Относительно неподвижного наблюдателя, проходящие мимо него колесные пары являются источником периодически наносимых по рельсам ударов. Период этих ударов определяется скоростью движения поезда и расстоянием между осями. При пересечении поездом ЗТН, при возникновении резонанса амплитуда вибрации железнодорожного пути будет возрастать от вагона к вагону, и при достижении некоторого предельного по амплитуде значения произойдет мгновенное разрушение насыпи. Как именно будет выглядеть это разрушение, зависит от конструкции пути. Чаще всего, при этом образуется воронка. Рельсы, оказавшиеся над воронкой, будучи лишены опоры, и сначала ведут себя как натянутый канат, а затем рвутся.
Во время написания этой статьи, 13-го августа 2007 года, в Новгородской обл. произошла авария с поездом N166 Москва - Петербург. Как всегда, сразу возникло множество различных, в том числе, и взаимоисключающих версий. В таких случаях, очень важны и существенны те свидетельские показания, которые делаются людьми, не понимающими физики того явления, очевидцами которого они оказались. Вот как очевидцы - пассажиры этого поезда - описывают то, что происходило непосредственно в момент аварии этого поезда:
... сначала поезд начало трясти, после чего последовал хлопок. В этот момент те, кто находились в середине состава, почувствовали, что вагоны как будто провисли. Локомотив и первые три вагона после хлопка по инерции еще продолжали движение, а средние - 5, 6 вагоны и вагон-ресторан - стали заваливаться набок. Проводники, которые не один год работают на этом маршруте, потом признавались, что стали прощаться с жизнью, так как на их памяти такое произошло в первый раз"[3].
Понимание процессов, предшествующих и подготавливающих аварии типа описанной выше, предполагает возможность ее прогнозирования и, следовательно, предотвращения.
Разрез ССП при профилировании через удароопасное пространство
Рис. 1
На рис.1а приведен разрез, полученный с помощью спектральной сейсморазведки при профилировании через удароопасное пространство. Для примера, взят случай, который имеет место на территории очистных сооружений в Ольгино, СПб1. Шаг измерений - 10м. Каждая вертикальная линия, проходящая через соответствующую точку оси Х, линии профиля, м, является, по сути, спектральным изображением сейсмосигнала, полученного в этой точке. Значения в метрах, проставленные на оси глубин, получены путем пересчета, согласно основной рабочей формулы спектральной сейсморазведки:
h = Vsh / f0
где Vsh - скорость поперечных (сдвиговых) упругих колебаний. С погрешностью, не превышающей 10%, ее величина для горных пород равна 2500м/с.
Центр каждого раздува соответствует собственной частоте гармонической составляющей сейсмосигнала, полученного в данной точке. Величина раздува соответствует значению добротности колебательного процесса. Или, что то же самое, добротности одной из колебательных систем, находящейся в зоне данного измерения.
На рис.1б показано временнόе изображение сейсмосигнала в точке измерений около 170-го м профиля. Наибольший "раздув" на спектральном изображении этого сейсмосигнала соответствует частоте около 13 Гц. Сигнал высокодобротен, и затухает очень медленно. Эта частота близка частоте вибрации насосов насосной станции очистных сооружений, и по этой причине время от времени в результате резонансных явления там происходит горный удар. Это явление проявляется в периодическом разрушении фундамента насосной станции и провала в грунт насосов.
Гораздо большее пространство занимает область с высокой добротностью гармонической составляющей сейсмосигнала вблизи 50 Гц. И если бы частота вибрации насосов была увеличен и приблизилась к 50 Гц, то разрушения, вызванные резонансом, захватили бы гораздо большее пространство.
Возвращаясь к железнодорожным проблемам, можно сказать, что если бы данное пространство пересекал поезд, скорость которого соответствовала бы частоте вибрации грунта около 13 Гц, то резонансным явлением была бы захвачена гораздо меньшая протяженность пути, чем если бы скорость поезда возросла настолько, что частота вибрации оказалась бы около 50 Гц. Понятно, что чем большее пространство пути будет охвачено резонансным явлением, тем большее это вызовет разрушение.
Таким образом, можно сказать, что в случае характера спектральной характеристики ЗТН, подобного приведенному на рис.1, вероятность и интенсивность разрушения пути будет возрастать с возрастанием скорости движения поездов.
Здесь прослеживается следующая логика прогнозирования резонансного разрушения путей и его предотвращения.
1. Необходимо выявить ЗТН, пересекаемые железнодорожными путями, добротность сейсмосигналов в которых достигает опасного значения.
2. Для каждой из таких ЗТН рассчитать значения запрещенных скоростей железнодорожных составов.
3. Изменить скоростной режим поездов таким образом, чтобы они пересекали ЗТН со скоростями, отличающимися от запрещенных.
ПРИЛОЖЕНИЕ
1. 21 июня 2007г. на перегоне Лазаревское–Водопадное близ Туапсе с рельсов сошло 18 вагонов грузового состава, три из которых оказались в море.
2. В Томской области 25/06/07 в результате разрушения подшипника колесной пары одного из вагонов сошли с рельс 11 вагонов с углем. "Разрушение подшипника колесной пары привело к разрыву сцепки между 28 и 29-м вагонами состава", – сообщили в пресс-службе Главного управления МЧС России по Томской области.
3. 10.07.07г 14.19 мск произошла авария в 20-ти километрах от Екатеринбурга на перегоне Шувакиш-Исеть. По неизвестной причине с рельсов сошли девять вагонов пассажирского поезда номер 337 Екатеринбург-Приобье.
4. 11 июля в 13:25 мск произошел сход 13 вагонов с углем в Амурской области.
5. 16 июля в 16:55 в Бузском районе Львовской области на перегоне Красное - Ожидов сошли с рельсов и опрокинулись 15 цистерн с желтым фосфором товарного поезда N2005. Всего в составе поезда было 58 вагонов.
6. 18 июля в 23.15 на железнодорожном переезде Кондопога - Заделья произошла авария грузового поезда N1609. С рельсов сошли пять вагонов, в трех из них была железная руда, в двух - шунгизит.
7. 19 июля, в 09:02 мск на перегоне Кондаково - Муром Горьковской железной дороги произошел сход 17 вагонов грузового поезда, в том числе одной пустой цистерны из-под пропана. В результате схода разрушены габариты соседних путей, движение приостановлено. Пострадавших в результате происшествия нет.
8. 21 июля, в 00:49, на Донецкой железной дороге возле станции Горловка сошли с рельсов два вагона пассажирского поезда N 279 сообщением "Челябинск-Симферополь".
ЛИТЕРАТУРА
1. Гликман А.Г. О принципах спектральной сейсморазведки.// Геофизика XXI столетия: 2003-2004 годы. Сборник трудов Пятых и Шестых геофизических чтений имени В.В. Федынского.- Тверь.: ООО "Издательство ГЕРС".- 2005.- 381с., с.370-375.
2. Гликман А.Г. О применении метода ССП для прогнозирования геодинамических явлений.
http://www.newgeophys.spb.ru/ru/docl.shtml 3. Свидетельства очевидцев.
http://www.newsru.com/russia/14aug2007/train.html 1. В принципе, можно было бы взять реальный случай, полученный при профилировании вдоль железнодорожной насыпи в зоне аварии, но эта картинка более удобна для объяснения.
