книги / Строительная геотехнология

оружения. При этом возникает необходимость учета боль­ шого числа показателей различного характера: от горно­ геологических, технологических, геомеханических до соци­ ально-экономических и санитарно-гигиенических. При та­ ком многомерном анализе возникает необходимость сжатия информации путем обобщения показателей до необходимо­ го и достаточного объема исходных данных для проектиро­ вания. Методом, позволяющим провести оценку исходной информации и сжать ее до необходимого минимума, являет­ ся факторный анализ. Применительно к рассматриваемой системе «массив — технология — подземное сооружение» существо факторного анализа состоит в переходе от описа­ ния объекта в рамках конкретной задачи в виде набора не­ посредственно измеряемых показателей по породному мас­ сиву, элементам выработки, крепления, технологии проход­ ки к набору максимально информативных переменных, отражающих наиболее существенные свойства изучаемой системы, т.е. набору факторов, являющихся некоторыми функциями исходных показателей.

Использование факторного анализа позволяет:

♦минимизировать структуру описания системы в части определения основных аспектов различия между элемен­ тами;

♦определить структуру взаимосвязей в наборе показа­ телей и выявить взаимосвязи и взаимодействие между элементами;

♦сформировать представление о причинно-следствен­ ных взаимовлияниях элементов системы;

♦сопоставить структуры показателей, характеризую­ щих элементы системы;

♦выявить индикаторные параметры, характеризующие комплексное влияние показателей на взаимодействие элементов системы;

♦идентифицировать параметрические области взаимо­ влияния элементов и расклассифицировать их по степени влияния.

167

5.3. РАЗРАБОТКА СТРУКТУРНОЙ М ОДЕЛИ ПОДДЕРЖ АНИЯ УСТОЙЧИВОСТИ ПРИРОДНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ ГЕОСИСТЕМ Ы «МА ССИВ — ТЕХНОЛОГИЯ— ПОДЗЕМ НОЕ СООРУЖЕНИЕ»

Любое находящееся в стадии строительства подземное сооружение (ПС), независимо от своего назначения и разме­ ров, может рассматриваться как один из составляющих эле­ ментов сложной природно-технической геосистемы (ПТГС), вторым элементом которой является окружающий ПС по­ родный массив. В период строительства и эксплуатации под­ земных объектов на взаимодействие ПС и породного масси­ ва существенное влияние оказывает технология строительст­ ва подземных объектов, которая является третьим элемен­ том ПТГС. Причем технология строительства ПС во многом определяет характер взаимодействия подземного объекта и окружающего породного массива.

Очевидно, что указанная система «массив — технология

— подземное сооружение» должна быть отнесена к разряду динамических как в силу постоянного изменения свойств и состояния ее элементов, так и характера взаимодействия ме­ жду последними. Потенциально в такой системе могут раз­ виваться различные опасные явления и процессы, несущие угрозу возможного (прогнозируемого) ущерба, в том числе и экологического.

Природно-техногенные процессы, возникающие в ходе строительства подземных сооружений, создающие потенци­ альные источники опасности как для сооружения, так и для безопасности человека, проявляются катастрофически в ре­ альном масштабе времени.

В подразд. 5.2 уже рассматривалось понятие «устойчиво­ сть» применительно к механической устойчивости подзем­ ных объектов. Это же понятие используется для оценки ус­ тойчивости геологической среды (породного массива) и гео­ систем к техногенным воздействиям. Это понятие относится к терминам сводного пользования и в разных науках приме­ няется неоднозначно.

168

Согласно определению М.Д. Гроздинского, «устойчи­ вость геосистемы состоит в ее способности при воздействии внешнего фактора пребывать в одном из своих состояний и возвращаться в него за счет инертности и восстанавливаемо­ сти, а также переходить из одного состояния в другое за счет пластичности, не выходя при этом за рамки инварианта в те­ чение заданного интервала времени».

А.Д. Арманд различает два вида устойчивости. «Устой­ чивость 1» — неизменность во времени или в пространстве безотносительно к внешней или внутренней причине. Этот вид не предполагает реакции системы на воздействие, что отвечает ее стабильности. «Устойчивость 2» — способность системы противостоять внешним и внутренним возмущени­ ям, сохраняя равновесие или гомеостатическое состояние, а также структуру и характер функционирования в течение относительно продолжительного времени. Устойчивость этого типа в большинстве случаев возникает в результате способности ее к саморегулированию под действием обрат­ ных связей.

В работе Г.А. Голодковской и Ю.Б. Елисеева анализи­ руются три возможных случая применения понятия «устой­ чивость». В первом случае устойчивость системы трактуется лишь относительно определенного вида воздействия на эту систему. Во втором случае предполагается, что свойство ус­ тойчивости окружающей среды является изначальным и не зависит от внешнего воздействия. В третьем — устойчивость окружающей среды определяется на компонентной основе, т.е. выясняется подверженность отдельных компонентов среды техногенным изменениям.

Зависимость устойчивости окружающего массива от интенсивности воздействующего фактора определяет диф­ ференцированное обоснование предельно допустимых уровней техногенной нагрузки (ПДУ) для поддержания различных форм устойчивости, поскольку при незначи­ тельной интенсивности техногенной нагрузки устойчи­ вость обеспечивается инертностью рассматриваемой сис­ темы, при усилении на нее воздействия — восстанавли­

169

ваемостью, а далее — пластичностью системы. При пре­ вышении ПДУ наступает отказ системы — ее разрушение, т.е. переход в качественно новое состояние.

Наряду с термином «устойчивость» применяются другие понятия для характеристики взаимодействия окружающего породного массива и подземного объекта. В частности, не­ редко используют такое понятие, как чувствительность сре­ ды к техногенным воздействиям, гомеостазис, инвариант­ ность. Чувствительность — понятие, обратное по своему значению понятию «устойчивость».

Для эффективного контроля взаимодействия различ­ ных элементов ПТГС и управляющего воздействия необ­ ходима конкретизация понятия «устойчивость функцио­ нирования ПТГС».

Для эффективного и безопасного функционирования ПТГС необходимо, чтобы действующие в ней природные и техногенные силы не приводили к потере ее структурно­ функциональной и вещественно-энергетической устойчи­ вости. Под структурно-функциональной устойчивостью понимается такое свойство системы, которое определяет ее способность функционировать в заданных проектными решениями режимах, обеспечивая при этом требуемые технические характеристики и показатели качества неза­ висимо от дестабилизирующих воздействий. Свойство системы сохранять независимо от указанных воздействий постоянство вещественного и энергетического балансов определяет ее вещественно-энергетическую устойчивость, нарушение которой может привести к аварийным и даже катастрофическим ситуациям. Причем чем сложнее горно­ геологические условия строительства, тем выше скорость и степень этих изменений и, следовательно, опасность то­ го, что динамические процессы в системе приведут к поте­ ре ее устойчивости. Таким образом, сохранение устойчи­ вости ПТГС может рассматриваться как основная целевая функция ее существования.

С точки зрения изученности можно выделить три груп­ пы процессов.

170

1.Нормируемые процессы — процессы, протекание которых известно полностью в рамках решаемых задач. При этом известен закон протекания или модель его реа­ лизации. Характеризующие процесс переменные опреде­ лены полностью.

2.Частично нормируемые процессы — процессы с ха­ рактеризующими их переменными, которые определены частично.

3.Процессы исследовательского характера— процессы с неизвестными переменными.

Практически все процессы, протекающие в природном массиве, относятся ко второму или третьему виду процессов. Поэтому большинство зависимостей имеют вероятностный характер, а природные процессы относят к стохастическим. Именно поэтому учет и оценка ситуаций со стохастически­ ми процессами представляют наибольшую трудность и несут

всебе максимальную опасность для проектировщика. Проектирование и строительство осуществляются прак­

тически всегда в условиях дефицита инженерно-геологи­ ческой информации, что с учетом сложности взаимодействия элементов указанной выше природно-технической геосисте­ мы позволяет прогнозировать опасные процессы в ней и их последствия лишь на вероятностном уровне. Отсюда следует, что полностью исключить отрицательное взаимовлияние подземного сооружения и окружающего породного массива практически нельзя. Однако очевидна принципиальная воз­ можность уменьшения масштабов такого влияния, посколь­ ку оно определяется не только объективными природными факторами, но и качеством инженерной деятельности чело­ века (уровнем и своевременностью принимаемых техниче­ ских решений, применяемой техники и технологии).

При анализе взаимодействия ПС и окружающей среды необходимо учитывать также влияние внешних (по отноше­ нию к подземному объекту) факторов. К ним относятся: гео­ графо-климатические, горно-геологические (исходное состо­ яние массива горных пород), социально-экономические, эко­ логические, ресурсные, сырьевые, финансово-инвестицион­ ные факторы.

171

Для нормального безаварийного функционирования ПТГС необходимо, чтобы действующие в ней природные и техногенные силы различной физической природы не приводи­ ли к потере ее устойчивости. Обеспечение последней обычно осуществляется за счет реализации таких технических решений (принимаемых в частности на стадии проектирования), кото­ рые минимизируют изменения исходного равновесного состоя­ ния системы, а также за счет организации целенаправленных консолидирующих обратных связей в системе, обеспечиваю­ щих поддержание ее в равновесном состоянии.

Структурная схема, иллюстрирующая сущность поддер­ жания устойчивости ПТГС за счет управляющих воздейст­ вий, представлена на рис. 5.15.

Методически в указанной схеме целесообразно выделить два контура управления. Первый из них отражает формиро­ вание проектных управляющих воздействий на основе учета целевой функции строительства и анализа исходной инже­ нерно-геологической информации. Причем если эта инфор­ мация достаточно полная и имеются соответствующие тех­ нологические возможности, то очевидно, можно было бы предусмотреть проектными решениями такие управляющие воздействия, которые гарантировали бы устойчивость рас­ сматриваемой системы.

Однако, как показывает опыт, в ряде случаев проектиров­ щики не обладают таким объемом инженерно-геологической информации, которая позволила бы решить проблему поддер­ жания устойчивости ПТГС уже на стадии проектирования.

Особенно очевидно это проявляется при строительстве подземных сооружений в сложных горно-геологических ус­ ловиях, которые, с одной стороны, могут рассматриваться как совокупность факторов, увеличивающих вероятность потери устойчивости ПТГС, а с другой — существенно ус­ ложняют возможности получения исчерпывающей инфор­ мации о динамике взаимодействия ПС и окружающего по­ родного массива.

Вторичный контур управления ПТГС учитывает взаимо­ влияние элементов системы «массив — технология — под­ земное сооружение» и основан на фактическом наблюдении

172

Р ис. 5.15. Структурная схема поддержания устойчивости ПТГС

за динамикой ее состояния. Оценка фактического состояния системы позволяет корректировать управляющие воздейст­ вия на ПТГС.

С учетом отмеченных выше особенностей, представляет­ ся, что концепция эффективного управления рассматривае­ мой системой в сложных горно-геологических условиях должна базироваться, с одной стороны, на заранее запро­ граммированных проектных решениях, минимизирующих изменения равновесного состояния системы, а с другой — на реализации активного геомеханического мониторинга. По­ следний предполагает:

♦непрерывное в течение всего жизненного цикла ПТГС наблюдение за ее состоянием и факторами, определяю­ щими воздействия на систему, и откликами системы на эти воздействия;

♦получение на основе указанных наблюдений оценок фактического и прогноз ожидаемого состояния ПТГС;

♦организацию целенаправленных консолидирующих отрицательных обратных связей в системе и управляю­ щих воздействий, обеспечивающих затухание дестабили­ зирующих процессов в ней.

Воздействие породного массива на устойчивость и де­

формируемость подземного сооружения может привести к переводу ПТГС из стабильного состояния в аварийное. Для исключения этого состояния прогноз корректируется осуще­ ствляемым с помощью мониторинга фактическим учетом изменения во времени прочностных и деформационных ха­ рактеристик горных пород и оценкой вероятности воздейст­ вия на подземное сооружение эндо- и экзогенных геологиче­ ских процессов, характерных для данного типа горно­ геологических условий, а также с учетом фактических де­ формаций и изменения механической устойчивости самого подземного объекта. Кроме воздействия, оказываемого по­ родным массивом на подземное сооружение, происходит обратное воздействие. В процессе функционирования самого подземного объекта, например канализационного коллек­ торного тоннеля, возможна инфильтрация жидкости в окру-

174

жающий породный массив, что может вызвать очень серьез­ ные последствия для экологии данного района.

ПТГС функционирует под влиянием не только возмущаю­ щих взаимодействий. Опираясь на результаты исследований и расчетов, реализованных в прогнозе, можно уже на стадии пла­ нирования и проектирования ПТГС предсказать, как будут из­ меняться ее структура, режим и состояние в период строитель­ ства и эксплуатации. На этой основе решается задача оптими­ зации функционирования ПТГС. В период же строительства и эксплуатации ПТГС возникает потребность управления ею для поддержания оптимального технологического режима работы и оптимизации задач, связанных с взаимодействием подземного сооружения с окружающим породным массивом.

Управление ПТГС предусматривает изменение состояния системы, которое достигается в результате изменения управ­ ляющих взаимодействий. Последнее осуществляется с помо­ щью так называемых сигналов управления. Эти сигналы несут сообщения о требуемых значениях управляющих взаимодейст­ вий. Сами же сигналы управления вырабатываются на основа­ нии информации о функционировании ПТГС.

Эффективное управление и функционирование обоих показанных на структурной схеме контуров управления воз­ можно только на основе соответствующего информацион­ ного обеспечения. Такое информационное обеспечение ме­ тодологически целесообразно также разделить на два уров­ ня. Первый уровень включает исходную (базовую) инже­ нерно-геологическую информацию о структуре, свойствах и состоянии массива в зоне строительства подземного соору­ жения, а второй — корректирующую информацию, отра­ жающую отклонения реальной ситуации в породном масси­ ве и в конструктивных элементах подземных сооружений от прогнозируемой на стадии проектирования.

Информационное обеспечение первого уровня включает:

♦геологические карты и стратиграфические разрезы в месте будущего строительства подземного сооружения;

♦сведения о петрографическом составе горных пород, их текстурных и структурных особенностях, степени вы­ ветривания и газоносности;

175

♦оценочные данные о тектонических разрывах и тре­ щиноватости;

♦сведения о новейших и современных тектонических движениях и сейсмических явлениях;

♦данные о типах подземных вод и их распространении в пределах зоны влияния подземного сооружения, а также прогнозные оценки возможных изменений степени обвод­ ненности в процессе его строительства и эксплуатации;

♦физико-механические и фильтрационные свойства горных пород;

♦оценки исходного поля напряжений и возможных его изменений под влиянием технологических процессов;

♦сведения о естественных и искусственных аэродина­ мических каналах, связывающих места будущего под­ земного сооружения с имеющимися в их окрестностях выработками и поверхностью земли.

Рекомендации по применению различных геофизических

методов для информационного обеспечения проектных ре­ шений строительства и эксплуатации подземных сооружений представлены в табл. 5.1.

Важно также отметить, что для получения более надеж­ ной информации первого уровня указанные выше геофизи­ ческие методы целесообразно комплексировать с традици­ онными геологическими и маркшейдерскими.

Второй уровень информационного обеспечения пред­ ставляет собой важнейший элемент активного геомонито­ ринга. Его задачей является получение информации о дина­ мике, структуре, свойствах и состоянии подземного объекта и окружающего породного массива непосредственно в ходе строительства. Одним из основных требований к получае­ мой на этом этапе информации является ее оперативность. Это связано с тем, что потеря устойчивости ПТГС, особенно в сложных горно-геологических условиях, может представ­ лять собой довольно быстрый (скачкообразный) переход из одного равновесного состояния в другое, предотвратить ко­ торый возможно только путем упреждающих управляющих воздействий. Потенциальная возможность реализации таких

176