Это шестая статья о сухопутном пути на остров Сахалин.
Статья №5
Стратегический транспортный тоннель является целью и объектом террористического внимания враждебно настроенных к нам государств, соответственно при проектировании и строительстве необходимо учитывать возможность террористических атак на объект. В данной статье рассмотрим опасность подрыва тоннеля зарядом замаскированным в перевозимом по тоннелю грузе.
В силу особенностей распространения ударных волн в стесненном пространстве взрыв в тоннеле представляет особую опасность для конструкций тоннеля, если с потерей внутреннего оснащения тоннеля, как то можно смирится, и однозначно найти способ восстановить функционирование транспортного сооружения, то для восстановления целостности и функционирования ограждающих конструкций подводного, малозаглубленного тоннеля, поврежденного внутренним или внешним взрывом, необходимы значительные и неординарные усилия, что является синонимом стоимости и времени работ. В данной статье рассмотрим возможности взрывостойкости малозаглубленного тоннеля под проливом Невельского.
В нашей стране давно и интенсивно занимались и в настоящее время занимаются проблемами воздействия ударных волн от взрывов разного характера. Основоположниками исследовательской деятельности воздействия ударных волн на сооружения являются наши соотечественники М.А, Садовский, А.В.Енько, И.С. Федоров. Главным, и наиболее известным трудом, в этой области считается публикация М.А. Садовского "Механическое действие взрыва " обобщающие экспериментальные и теоретические изыскания автора и научных коллективов им возглавляемых на протяжении 60 лет.
Действие взрывных газов в атмосфере ограничено тем, что сопротивление воздуха тормозит расширение газов, а в случае направленных газовых струй, кроме того, заставляет газовые струи «расползаться», расширяться и в конечном счете сливаться друг с другом. Таким образом, на некотором расстоянии от заряда облако расширяющихся взрывных газов приобретает в целом правильную шарообразную форму, хотя в некоторых местах эта форма нарушается из-за того, что расширяющиеся газы начинают вихреобразно смешиваться с окружающим воздухом (турбулентное перемешивание).
Чтобы охарактеризовать зону, где действуют взрывные газы и происходит их направленное расширение, необходима условная мера длины, позволяющая свести к единой системе взрывы любого масштаба. В качестве предпосылки возможно принять, что взрывчатое вещество представлено в виде шара. Радиус этого шара для тротила и многих других взрывчатых веществ средней мощности можно приближенно принять
Величина г0 является очень распространенной мерой длины при описании действия взрыва в самых разнообразных средах. Удобство применения этой формулы состоит в возможности свести к единой картине взрывы зарядов всех размеров. При расширении взрывных газов они встречают и оттесняют воздух, окружающий заряд. Если воздух имеет давление, близкое к нормальному, т.е. если не рассматриваются взрывы, происходящие на больших высотах, где воздух менее плотен, то можно считать, что плотность воздуха примерно в 1200—1500 раз меньше плотности обычных взрывчатых веществ. Поэтому масса воздуха, равная массе заряда, должна содержаться в объеме, равном примерно 1200—1500 объемам заряда, или в шаре, имеющем радиус, равный
Этот радиус имеет существенное значение при рассмотрении действий взрыва в воздухе. Дело в том, что, пройдя расстояние, равное г, масса взрывных газов вытесняет но все стороны равную себе массу воздуха. Этого оказывается достаточно, чтобы затормозить расширение взрывных газов и разрушить их направленные струи. Именно на расстоянии, близком к r, взрывные тазы формируются в сферическое облако, дальнейшее расширение которого протекает медленно. При r < 12r0 механизм механического воздействия на окружающую среду существенно отличается от механизма воздействия при г>12г0.
При взрыве в воздухе взрывные газы, не встречая заметного сопротивления со стороны воздуха, находящегося возле свободных поверхностей заряда, начинают интенсивно расширяться в направлениях, перпендикулярных этим поверхностям заряда. Скорость этого расширения у молекул газов, разлетающихся с поверхности заряда, с момента взрыва наибольшая; следующие за ними молекулы движутся все медленнее. Скорость наиболее быстрых молекул нарастает до тех пор, пока к ним не перейдет энергия изнутри массы газов. Это возможно, пока скорость движения наиболее быстрых молекул не достигнет некоторой предельной величины, начиная с которой возникает передача энергии в потоке взрывного газа. Величина эта — скорость звука. Волна детонации распространяется по взрывчатому веществу вследствие передачи энергии от сильно сжатых взрывных газов еще не детонировавшей части заряда. Скорость детонации превосходит скорость движения газов Vr на величину скорости звука с.
В природе всякое движение осуществляется так, что энергия из мест, где она сконцентрирована в большей степени, переходит в места, где концентрация энергии меньше. При взрыве эта закономерность также соблюдается: взрывные газы движутся из места, где их давление больше, туда, где давление меньше. Энергия, выделенная при взрыве, быстро рассеивается, и температура взрывных газов постепенно приближается к температуре окружающей среды.
Что это означает для нашего малозаглубленного тоннеля? Означает буквально следующее, что возможно два сценария взрывного воздействия на тоннель:
1. При массе заряда более 5000 кг, на стены тоннеля диаметром 11,4 м непосредственно действует ударная волна, т.к. зона детонации ограниченная размерами 12 радиусов заряда, приблизительно равна при 5000 кг 11-12 м. К этому случаю будет относится и минирование (закладка) заряда непосредственно на стенке тоннеля.
2. При массе заряда менее 5000 кг на стены тоннеля действует избыточное давление взрыва. Согласно закону механики «действие равно противодействию» взрывные газы при торможении воздухом сжимают этот воздух и сообщают ему некоторую скорость в направлении радиусов, идущих от центра взрыва. Масса взрывных газов, расширяясь, вытесняет окружающий ее воздух и образует вокруг себя зону сжатого, уплотненного и разогретого воздуха. Эта зона действует на окружающий, еще не возмущенный воздух, и сжимает его.
Очевидно, что взрыв значительного количества взрывчатого вещества представляет большую опасность для тоннеля, также огромную опасность представляет минирование стенки (размещение заряда на внутренней поверхности). Вот мы и рассмотрим данный случай с цель определения возможности и количества взрывчатки для разрушения стенок нашего сооружения.
Важнейшими характеристиками ударной волны являются время ее действия и импульс. Время действия положительного избыточного т+ давления представляет собой важную практическую характеристику ударной волны, потому что именно это давление вызывает основные разрушения.
На основе опытов и расчетов оказалось возможным установить зависимость т+ от массы заряда т и расстояния r. Эта зависимость имеет вид
Можно заметить, что время действия избыточного давления вдвое меньше времени движения волны от места взрыва до заданной точки. При сравнительно небольших значениях времени т+ разрушения, производимые воздушной ударной волной, определяются удельным импульсом избыточного давления I. Эта величина может быть получена из графика зависимости давления от времени в воздушной ударной волне. Удельный импульс численно равен площади, которая ограничена кривой давления в зависимости от времени, и горизонтальной линией, соответствующей давлению в невозмущенном воздухе. Наблюдения и расчеты для взрывчатых веществ нормальной мощности позволили определить функциональную зависимость удельного импульса от массы тротила и расстояния:
При непосредственном контакте заряда ВВ с преградой суммарный импульс, переданный преграде за время разлета продуктов взрыва, для кубического заряда может быть подсчитан по формуле
Is=1.4*10^-2*D*m (кг/с)
где D скорость детонации для тротила 6500 м/с, m-масса заряда кг.
Удельный импульс избыточного давления ударной волны, кг с заряд В В находится на расстоянии r< 12г0 (г0 = 0,0534m^1/3).
Величина заряда ВВ размещенного внутри тоннеля или на его стенке при подрыве в рассматриваемых случаях может воздействовать на ближайшую преграду (стенку тоннеля) следующим образом:
1. Заряд недостаточен для какого либо разрушения преграды.
2. Заряд образует на внешней стороне преграды откольное разрушение.
3. Заряд разрушает стенку тоннеля по типу вышибания пробки участком приблизительно равным проекции заряда на наружную поверхность.
При нормальном (под углом 90 градусов) падении детонационной волны на контактную поверхность начальная амплитуда ударной волны идущая в материал преграды может составлять 20-30ГПа для жидкостей и многих твердых тел, и 40-70 ГПа для металлов. Начальные давления нагружаемой поверхности лежат в диапазоне десятков гигапаскалей. Длительность ударных волн идущих в поверхность преграда приблизительно равна времени двойного пробега волны по толщине заряда. Характерные значения этого времени довольно малы от 10^-6 до 10^-7, т.е. десятые доли микросекунды.
При выходе ударной волны на свободную поверхность образуется зона растягивающих напряжений, в результате может происходить разрушение материала - "откол". Нагружение носит ударно-волновой характер и разрушение происходит при взаимодействии ударных волн (УВ), а точнее, при взаимодействии волн разрежения (ВР), следующих за фронтом УВ. Специфика ударно-волновых воздействий заключается в том, что из-за малой длительности времени нагружения практически отсутствуют взаимное влияние отдельных участков нагружаемого тела, содержащих какие-либо крупные дефекты, и соответственно их вклад в процесс откольного разрушения. Кроме того, при этом развиваются экстремально высокие скорости деформирования, происходит разогрев вещества, изменяется сам механизм пластической деформации (например, в металлах происходит активирование дополнительных плоскостей скольжения, увеличивается вклад двойникования в деформацию даже для тех материалов, где в обычных условиях нагружения деформационные двойники не образуются). Долгое время считалось, что при ударно-волновом нагружении разрушение (откол) происходит мгновенно, при достижении критической величины растягивающих напряжений sр , называемой обычно откольной прочностью материала, а сама величина sр является некоторой постоянной характеристикой прочности материала, не зависящей от фактора времени. Только в 60-х годах нашего столетия появились первые работы, неоспоримо указывающие на необходимость учета этого фактора при откольном разрушении, то есть при ничтожно малых временных интервалах, меньших 10- 6 с. Законченной теории откольного разрушения материалов при действии кратковременных растягивающих напряжений пока не существует. Результаты проведенных исследований демонстрируют сложный характер откольного разрушения. Результатом экспериментальных и теоретических работ проведенных наши физиком, Анатолием Петровичем Рыбаковым является выявление критерия разрушения преграды при действии ударно волновых нагрузок.
Выполненный А.П. Рыбаковым и О.Ю. Вшивковым теоретико -экспериментальный анализ соударения тел, и образования откола, или пробки при ударе позволил установить критерий разрушения преграды
При значении критерия менее 0.1 разрушения не происходит, при значениях от 0,1 до 0,5 происходит откол, при значениях более 0,5 происходит разрушение преграды по механизму выбивания пробки.
Из анализа формулы критерия разрушения очевидно, что направление разрушения стенки тоннеля при взрыве будет в направлении меньшей толщины преграды, таким местом для малозаглубленного тоннеля является - его верх.
Так же очевидно, по виду функции, что разрушить стенки тоннеля взрывом при большом заглублении весьма затруднительно, критерий разрушения в зависимости от толщины преграды убывает, так же невозможно разрушить стенки тоннеля в направлении низа и боковых сторон, так как там значения толщины преграды бесконечно большие.
В целях упрощения расчетов для определения максимального количества заряда примем следующие предпосылки:
1. Взрывчатое вещество - тротил.
2. Случай подрыва 1 - заряд в форме куба расположен непосредственно на стенке тоннеля в верхней части.
3. Случай подрыва 2 - заряд приведенной шарообразной формы расположен по оси тоннеля детонация (подрыв) происходит из центра шара.
4. Объемный вес материала стенки (железобетона) и обратной засыпки тоннеля одинаковый и равен 2550 кг/м3
5. Толщина стенки тоннеля вместе с засыпкой 4 м.
6. Скорость звука в бетоне 4000 м/с
7. Удельная энергия U тротила равна, 430 000 кгс • м/кг
8. Повреждением тоннеля по типу откола является так же повреждение дна при взрыве внутри тоннеля (воронка), т.к. по примененной методике нет возможности оценить глубину откола.
Результаты расчета для случая 1 когда заряд расположен на стенке внутри тоннеля:
1. При весе заряда до 5000 кг повреждений стенки тоннеля и дна по типу откола с обратной стороны нет.
2. При весе заряда от 5000 кг до 100000 кг происходят повреждения по типу откола включая участок дна толщиной 3 м.
3. При весе настенного заряда свыше 100000 кг происходит вышибание кровли тоннеля по типу пробки, и его разрушение на участке расположения заряда.
Исходя из расчета очевидно, что нарушить целостность рассматриваемой конструкции тоннеля взрывом изнутри, заряда расположенного на стенке, вряд ли возможно, т.к. требуемый размер заряда сопоставим с полным сечением тоннеля, (5000 кг тротила это куб со стороной 1,7 м).
Также для разрушения тоннеля снаружи подводным взрывом заряда на поверхности дна требуется заряд весом не менее 100 тонн (куб со стороной 4,6 м) расположенного точно по оси тоннеля.
Результаты расчета для случая 2 когда заряд расположен внутри по оси тоннеля.
При весе заряда до 500 т повреждений стенки тоннеля и дна по типу откола с обратной стороны нет.
Разместить заряд приведенной шаровидной формы большего размера чем 500 тонн в тоннеле не получится исходя из геометрических соображений, т.к. расположение заряда будет уже близко рассмотренному случаю 1.
Следует отметить, что для тоннеля удельный импульс положительного избыточного давления при удалении от места взрыва не уменьшается, но даже увеличивается. При движении воздушной ударной волны вдоль тоннеля все время увеличивается масса воздуха, передающая энергию взрыва, в то время как площадь, на которую может подействовать эта масса, остается неизменной. Импульс зависит от массы, несущей энергию. Поэтому при увеличении расстояния удельный импульс взрыва, должен увеличиваться. Однако при этом увеличивается также и время действия импульса. При очень длительном импульсе определяющее значение имеет избыточное давление на фронте волны, соответственно, при проектировании тоннеля необходим проверочный расчет на избыточное давление импульса взрыва и его параметров. В этой статье мы его делать не будем.
Выводы по расчетам взрывостойкости малозаглубленного тоннеля под проливом Невельского.
1. Взрывостойкость тоннеля значительно превышает таковое значение для мостов, что объясняется взаимодействием с окружающим грунтовым массивом, который принимает на себя энергию взрыва и рассеивает его в окружающее пространство.
2. Возможность разрушения тоннеля внешним подрывом устройством расположенным на дне пролива теоретически возможно, но параметры такого устройства и необходимое место его расположения ставит трудноразрешимые проблемы пред авторами диверсионного акта. Либо требует применения спецсредств по типу атомных фугасов или специальных подводных аппаратов снаряженных теми же ядерными фугасами.