книги / Строительная геотехнология
..pdfнологических параметров по данным непрерывного контро ля поддерживать оптимальный режим производственного процесса в системе «горная выработка — породный массив».
Рассмотрим следующие научно-технические проблемы освоения подземного пространства: обеспечение устойчиво сти горных выработок; экологические проблемы освоения подземного пространства; мониторинг качества скрытых работ для снижения рисков в подземном строительстве.
ОБЕСПЕЧЕНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК
Прообразом высоких технологий может служить новоав стрийский метод строительства тоннелей (Н АТМ ), наглядно демонстрирующий возможности получения качественно новых результатов при органическом сочетании фундаментальных знаний о напряженно-деформированном состоянии породного массива с передовой техникой и мониторингом.
Вкачестве примера из отечественной практики можно привести научные разработки по внедрению «крепи регули руемого сопротивления».
Внастоящее время капитальные горные выработки на всем своем протяжении крепятся в основном одним типом крепи, независимо от частого изменения горно-геологичес ких условий. Протяженность современных капитальных вы работок измеряется километрами. Естественно, что прочно стные и деформационные характеристики пересекаемых вы работкой пород могут существенно изменяться даже в пре делах одной литологической разности. А это, в свою оче редь, вызывает неравномерность смещений по длине выра ботки. Причем эта неравномерность может достигать значи тельных величин (на порядок и более).
Нормативные документы по выбору типа конструкции
крепи СНиП П-94— 80 и «Руководство по проектированию подземных горных выработок и расчету крепи» в принципе предусматривают дифференцированный подход к крепле нию отдельных участков выработки, имеющих более 30 % отклонения прочностных свойств вмещающих пород, одна ко это условие не реализуется ввиду отсутствия практиче ских рекомендаций.
22
Новый подход к вопросу крепления горных выработок предусматривает применение различных конструкций крепей по длине строящейся выработки в зависимости от конкретной геомеханической ситуации на отдельных ее участках.
В основе такого подхода лежит идея оптимальности па раметров крепи, возводимой в конкретных горно-геологи ческих условиях.
Такой подход предусматривает закрепление вы работ ки по ее длине крепями, имеющими различные характери стики. Таким образом , в процессе строительства выра ботки мы как бы регулируем несущую способность крепи в зависимости от изменения геомехаиических условий. П оэтом у совокупность всех типов крепей, установленных по длине выработки, имеет общ ее название «крепь регули руемого сопротивления» (КРС).
Одним из составных условий предлагаемого подхода яв ляется непрерывный контроль смещений породного массива.
Внедрение крепи регулируемого сопротивления позво ляет исключить необоснованные запасы прочности крепи на участках с благоприятными горно-геологическими условия ми и предотвратить ее разрушение и перекрепление в небла гоприятных условиях за счет своевременного увеличения не сущей способности.
Сформулированный новый подход к креплению капи тальных горных выработок, по существу, является основой для разработки гибкой, ресурсосберегающей технологии в шахтном и подземном строительстве.
Крепь регулируемого сопротивления представляет собой совокупность отдельных конструкций крепей и их комбинаций, устанавливаемых по длине выработки с оптимальными для различных ее участков параметрами, определяемыми на основе непрерывного контроля смещений породного контура.
Крепь регулируемого сопротивления в общем виде включает в себя базовую крепь, крепь усиления и устройство для контроля сигнальных смещений.
Базовая крепь — это конструкция крепи (или комбина ция нескольких конструкций), возводимая непосредственно при проведении горной выработки. Параметры базовой
23
крепи определяются для участка выработки с наибольшими значениями предела прочности на одноосное сжатие и моду ля деформации пород.
Крепь усиления — это конструкция крепи (или комби нация нескольких конструкций), технологически сочетаемая с базовой крепью, повышающая суммарную несущую спо собность и возводимая, по необходимости, в зависимости от величины контролируемых сигнальных смещений контура выработки. В качестве крепи усиления должна приниматься такая конструкция крепи, которая, технически сочетаясь с базовой крепью, обеспечивает требуемые изменения ее па раметров.
Основными параметрами КРС являются ее несущая спо собность и податливость, которые должны регулироваться в зависимости от изменения горно-геологических условий по длине выработки. Регулирование несущей способности и по датливости КРС осуществляется в зависимости от контро лируемых сигнальных смещений контура выработки.
Контролируемые сигнальные смещения — это макси мальные допустимые смещения породного контура, при ко торых базовая крепь еще обеспечивает устойчивое состояние выработки. В случае превышения смещениями породного контура на каком-то участке величины сигнальных смеще ний устойчивость выработки на этом участке обеспечивается вводом в работу крепи усиления. Таким образом, в общем случае выработка на своем протяжении будет закреплена как базовой крепью, так и ее различными сочетаниями с крепью усиления, что в совокупности должно обеспечить рацио нальный расход крепежных материалов при соблюдении эксплуатационных требований.
ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ОСВОЕНИЯ ГОРОДСКОГО ПОДЗЕМНОГО ПРОСТРАНСТВА
Размещение объектов различного назначения в подзем ном пространстве, помимо повышения эффективности ис пользования недр, экономии территории и сохранения эко логической чистоты, позволяет уменьшить затраты энергии 24
на отопление и охлаждение помещений, сократить эксплуа тационные расходы по сравнению с альтернативными со оружениями на поверхности, снизить влияние климатиче ских условий.
Урбанизация привела к негативным изменениям геоло гической среды, истощению водных ресурсов, загрязнению почвенного покрова и атмосферы, появлению факторов, от рицательно влияющих на здоровье человека. Поэтому охра на и улучшение окружающей среды в городах является акту альной проблемой для всех отраслей городского хозяйства, в том числе и для подземного строительства. Поддержание экологического равновесия рассматривается авторами как главная цель экологии освоения подземного пространства.
Достижение равновесия при освоении подземного про странства предполагает решение следующих социальных за дач: сохранение здоровья и создание нормальных условий жизнедеятельности человека; сохранение и развитие природ ной среды.
Следует дать описание терминов, касающихся вопросов экологии в подземном строительстве.
Окружающая среда. Среда — это окружение, совокуп ность природных условий, в которых протекает деятель ность человеческого общества, организма. В области охраны окружающей среды действует следующее определение: все, что окружает человека, естественная (природная) среда и яв ления, искусственные (созданные человеком) сооружения. В контексте подземного строительства окружающая среда — это природная среда, окружающая подземный объект при строительстве и эксплуатации, а также сложившиеся к рас сматриваемому времени социально-экономические предпо сылки освоения подземного пространства.
Природная среда. В области охраны окружающей сре ды действует следующее определение: часть окружающей среды, включающая существующее на земле и в подзем ном пространстве естественные тела, физические, химиче ские и биологические явления и процессы. В подземном строительстве — это естественные составляющие, окру-
25
жающие массив вмещающих горных пород и происходя щие в них геологические, гидрогеологические, тектониче ские и прочие процессы и явления.
Экология подземного пространства. В словаре термин «экология» определяется как раздел биологии, изучающий взаимоотношения животных, растений, микроорганизмов между собой и окружающей средой, или как общая наука об отношении организмов к окружающей среде, куда мы отно сим все условия существования. Экология подземного про странства — это качественный и количественный комплекс физических, технических, технологических, социальных, ме дико-гигиенических и психологических характеристик, обес печивающих экологическую надежность строительства и эксплуатации подземного объекта и нормальную жизнедея тельность человека в нем.
Экологическая надежность подземного сооружения. В
словаре этот термин определяется как свойство материалов выполнять заданные функции, сохраняя эксплуатационные характеристики. В нашем случае это способность подземно го сооружения в период строительства и эксплуатации обес печивать стабильность природной среды и нормальную жизнедеятельность человека.
Экосистема. В области охраны окружающей среды это экологическая система, в качестве элементов которой высту пают, с одной стороны, организмы и их группы, с другой стороны среда, совокупность факторов их обитания. В на шем случае под экосистемой понимается система, учиты вающая характер связи, существование и взаимодействие природной среды, подземного сооружения и человека в нем.
Кризис экосистемы. Состояние, при котором параметры достигают допустимых пределов изменений, что влечет раз рушение системы.
Нормальное состояние экосистемы. Состояние системы, параметры которой находятся между минимальными и мак симальными допустимыми значениями.
Допустимые пределы состояния экосистемы. Минималь ные и максимальные критические величины параметров системы.
26
Элемент экосистемы. Одно из звеньев экосистемы. Экологический фактор. Существенный момент, одна из
основных причин, выявляющих и определяющих поведение, взаимосвязь и так далее элементов экосистемы.
Экологический параметр. Количественная величина, ха рактеризующая одно из свойств экосистемы.
Экологический критерий. Показатели, позволяющие оце нить и проанализировать экологическое состояние системы.
Единство природной среды, глубокие внутренние взаи мосвязи всех ее составляющих и процессов определили ре шение этой проблемы на целостном системном подходе. Ре шение экологических задач на современном уровне требует увязки естественных, социальных, экономических и техниче ских аспектов. Основными принципами построения единой концепции освоения городского подземного пространства следует считать:
♦создание для человека в городском подземном объек те наиболее комфортных условий труда и отдыха;
♦строительство и эксплуатация подземных сооружений не должны наносить ущерб окружающей среде;
♦оздоровление экологической обстановки в городе за счет перевода под землю ряда объектов, вызывающих отрицательные последствия антропогенного воздействия на окружающую среду.
МОНИТОРИНГ КА ЧЕСТВА СКРЫТЫХРАБОТ ДЛЯ СНИЖЕНИЯ РИСКОВ В ПОДЗЕМНОМ СТРОИТЕЛЬСТВЕ
Строительство подземных сооружений и шахт как слож ная, трудоемкая и опасная сфера человеческой деятельности характеризуется высоким уровнем риска, связанного с невы полнением требований проектов по качеству и срокам строительства. В основном это обусловлено непрогнозируе мыми изменениями горно-геологических условий строитель ства и отклонениями технологических процессов при веде нии скрытых горных работ. Под скрытыми понимаются ра боты по созданию инженерных конструкций непосредственно
27
в массиве горных пород, и потому недоступных их произво дителю для прямого контакта и визуального наблюдения.
Примерами подобных работ могут служить работы по соз данию защитных ограждений из замороженных или укреп ленных цементацией пород, стены в грунте, буронабивных свай и т.п.
Проблемы, связанные с риском, у производителя работ возникают уже на стадии заключения договора-подряда на строительство, так как подписание контрактов практически по любым проектам в условиях рыночных отношений требу ет гарантий на их реализацию.
Опыт показывает, что недоучет рисковой ситуации из-за недостаточной информации, полученной на стадии изыска ний об условиях строительства, в реальности может увели чить сроки выполнения и стоимость в несколько раз по от ношению к планируемым. С другой стороны, та же недо оценка заказчиком роли изыскательских работ позволяет подрядчику при подписании контракта завышать уровень риска, зачастую подменяя недостатки технологии и низкий уровень организации работ ссылками на непредвиденные обстоятельства.
Таким образом, с одной стороны, имеет место недоучет уровня риска, а с другой стороны, — его завышение. Такая практика в обоих случаях ложится тяжелым бременем на плечи налогоплательщиков. При реализации крупных про ектов цена принимаемого решения очень велика. И, хотя риск в подземном строительстве всегда существовал и будет существовать, он должен и может быть заметно снижен.
Для достижения этой цели необходимо решить комплекс задач разнопланового профиля.
Необходимо уметь выявлять причины и следствия, по рождающие риск, оценивать возможные потери в рисковых ситуациях, правильно распределять риск между заинтересо ванными в реализации проектов сторонами и персонализи ровать ответственность физических лиц.
Проектировщики должны иметь ясное понимание путей выбора оптимальных технологических решений. Для этого не обходимо разрабатывать методы и средства, повышающие эф
28
фективность и качество подземного строительства в условиях действия интенсивных помех строительству, обусловливаемых природной обстановкой и техногенным влиянием.
При подготовке контрактов заинтересованные стороны должны иметь возможность правильно решить: кто и в ка кой мере отвечает за дефекты проектов, принятых к реали зации, что можно отнести к непредвиденным обстоятельст вам; каков порядок отчетности по планируемым в сметах непредвиденным затратам и т.д.
Экстраординарность проблемы риска в подземном строительстве заключается в том, что она затрагивает во просы гарантий эффективности производства и качества продукции не в обычных, рядовых, условиях производства, а там, где изменчивая природная среда приводит к большой неравномерности показателей технологического выхода и, как следствие, к высокой вероятности невыполнения обяза тельств по плановым показателям эффективности и качества производства.
Для структуры гибких систем характерно наличие ярко выраженной обратной связи, включающей развитие звеньев контроля и управления технологическим процессом. Важно, чтобы звенья контроля и управления гармонично встраива лись в технологический процесс (признак гибкости техноло гии). Технология строительства должна быть организована так, чтобы быть и контролируемой, и управляемой. Здесь ограниченная априорная информация об условиях строи тельства, полученная на стадии изысканий, дополняется те кущей оперативной информацией, извлекаемой в ходе строительства.
При сигнализации звена контроля о резких изменениях условий строительства звено управления готово оперативно подстроить или перестроить технологию для работы в новой обстановке. В результате появляется возможность снизить необоснованные коэффициенты запаса в одних случаях или предотвратить возникновение аварийных ситуаций в других.
Идеология гибких систем открывает возможности для принципиально нового подхода к проектированию и разра ботке технологий подземного строительства в ситуациях, когда
29
ограниченная априорная информация, скрытые изменения фи зических условий строительства и сложная горно-геологи ческая обстановка определяют высокий уровень риска невы полнения работ с высоким качеством в заданные сроки.
Звено контроля является первым звеном в цепи обрат ной связи гибкой технологии строительства. В работе это звено представлено как информационная технология кон троля производственного процесса. Такая технология трак туется в работе как система получения информационной продукции и характеризуется совокупностью методов, средств и процессов извлечения, переработки и передачи ин формации потребителю о производственном процессе в то варном виде.
При структурировании информационной технологии контроля производственного процесса использован иерар хический принцип, обеспечивающий подчиненность (дета лизацию) нижнего уровня по отношению к вышестоящему. Контроль производственного процесса представлен как вы сокая технология, содержащая несколько подчиненных тех нологий.
Структура среднего уровня предложенной классифика ции синтезирована из понятий информатики и включает суб систему переработки информации и субсистему представле ния и передачи ее потребителю.
Структура нижнего уровня синтезирована из понятия «технология», трактуемого как совокупность методов, средств и процессов производства. В результате нижний уровень структурирования включает девять в известной сте пени автономных классов.
Одним из примеров создания средств подобного кон троля может служить мобильная лаборатория «Инжстройакустика». Она разработана в Московском государственном горном университете на кафедре строительства подземных сооружений и шахт и изготовлена на Мытищинском прибо ростроительном заводе. Все наиболее ответственные элемен ты лаборатории являются стандартными изделиями.
Возможности лаборатории позволяют путем акустиче ского просвечивания элементов объектов, возводимых в по-
30
родном массиве, обеспечить получение из труб-скважин не обходимой измерительной информации о механических свойствах и состоянии контролируемой среды.
Лаборатория предназначена в основном для контроля сплошности ледопородных ограждений при искусственном замораживании пород, а также для оценки качества подзем ного и подводного бетонирования при возведении стены в грунте и буронабивных свай.
Кроме того, технические возможности лаборатории по зволяют применить ее в ставших традиционными задачах ультразвукового контроля качества бетонных блоков и бе тонных конструкций с использованием накладных датчиков.
Опытно-промышленное испытание лаборатории на строительных объектах Мосинжстроя показало надежность ее работы и высокую эффективность.
Вопросы к первой главе
1.Что изучает строительная геотехнология?
2.Каковы основные научные направления в строительной геотехнологии?
3.Как обеспечивается устойчивость горных выработок?
4.Каковы экологические проблемы освоения городского под земного пространства?
5.Как проводится мониторинг качества скрытых работ для снижения рисков в подземном строительстве?