CC BY
174
СИМПОЗИУМ «СОВРЕМЕННОЕ ГОРНОЕ ДЕЛО: ОБРАЗОВАНИЕ, НАУКА, ПРОМЫШЛЕННОСТЬ»
ПОСВЯЩАЕТСЯ ПАМЯТИ АКАДЕМИКА ВЛАДИМИРА ВАСИЛЬЕВИЧА РЖЕВСКОЮ
29.01.06 - 2-02.96 г
Е. В ПЕ ТРЕНКО. И.Е. ПЕТРЕНКО
Академия горных наук
Методология проектирования подземных сооружений
Методология проектирования подземных сооружений является учением о методах, приемах и операциях для проектирования этих сооружений на основе достижений науки и техники с целью рационального использования подземного пространства.
Потребность в исследовании методологии проектирования подземных сооружений возникла совсем недавно в связи со все возрастающим интересом в мире к освоению подземного пространства недр Земли [2], [27] и необходимостью экологической безопасности их освоения [25]. Методология проектирования подземных сооружений становится важнейшим научным направлением новой науки-теории проектирования освоения недр.
Стержневая идея доклада о сущности методологии проектирования подземных сооружений состоит в том, что к сегодняшнему дню уже имеются методы, принципы и подходы, применение которых обеспечивает повышение качества проектов подземных сооружений и,тем самым, являются крупным вкладом в развитие методологии проектирования подземных сооружений, в качестве составной части теории проектирования освоения недр с целью обеспечения перспектив дальнейшего освоения подземного пространства, экологически безопасного использования недр как элемента среды выживания человека.
В настоящем докладе упор делается на прикладное значение методологии проектирования подземных сооружений
как фрагмента единого процесса освоения подземного пространства [22], [23].
Хотя этот доклад написан, в основном, по материалам наших опубликованных работ, он представляет собой самостоятельное и законченное сочинение, обладающее определенной внутренней логикой.
В этом докладе хотелось не только сообщить кое-какие научные факты, но заинтересовать слушателей кругом про-блем методологии проектирования подземных сооружений и позволить им проникнуть в сущность методологии проектирования геосистемы с целью использования подземного пространства.
Вопрос о методологии освоения подземного пространства все еще остается дискуссионным, поскольку существуют различные мнения об объеме и структуре этого понятия, с которым иногда связывают способы проектирования и строительства подземных сооружений, методы освоения подземного пространства для целей, не связанных с добычей полезных ископаемых, но чаще ограничивают значение методологии освоения подземного пространства принципами и подходами к использованию подземного пространства.
Понятие методология освоения подземного пространства для целей, не связанных с добычей полезных ископаемых, имеет как бы несколько уровней: - можно употреблять это понятие для обозначения особенностей, присущих подземному строительству, как общности системы творческих приемов и методов исследо-
ваний для проектирования и строительства подземных сооружений, обусловленных единством методологии горных наук [1-5]; - основное содержание этого понятия характеризуется строительной геотехнологией как составной частью комплекса горных наук и ее ролью в решении проблемы освоения подземного пространства [6]. Строительная геотехнология представляет совокупность знаний о подземных сооружениях в массиве горных пород, технических, экономических и организационных взаимосвязях технологических процессов при их строительстве, реконструкции, и восстановлении. В область исследований строительной геотехнологии включается обоснование и разработка методов проектирования и расчета конструкции подземных сооружений, а также методов оценки их надежности и долговечности.
В методологическом отношении строительная геотехнология находится еще в стадии становления.
Природно-технологические системы использования подземного пространства (геосистемы) различаются по пространственному положению (заглубленные и подземные), а также по соотношению "природных" и "технологических1' элементов и назначению - на инженерностроительные, резервационные и захоро-нительные [3].
Анализ ряда работ отечественных [1], [7], [10] и зарубежных специалистов [8], [9] показывает, что методология проектирования подземных сооружений должна включать по крайней мере:
- основные сведения о принципах и видах проектирования;
- творческий процесс проектировщиков и техническое творчество;
- методы инженерного проектирования;
- модели процесса проектирования подземных сооружений как развивающихся геосистем;
- основы системного проектирования объектов строительства;
- моделирование проектных решений;
- выбор концептуальных решений;
- основы методологии проектирования и конструирования;
- выбор эффективных проектных решений в строительстве.
Из этого перечня составных частей методологии проектирования подземных сооружений становится понятным, что методология, в основном, отвечает на вопросы каким образом осуществлять проектирование, на каких принципах, какими методами и каким образом выбирать эффективные проектные решения, однако при этом следует отметить, что методологии в указанном составе совершенно недостаточно, для проектирования подземных сооружений и организации их строительства. Потребуются знания, необходимые для выбора технологических, архитектурных, конструктивных и объемно-планировочных решений с учетом горногеологических условий строительства подземных объектов.
Методология проектирования подземных сооружений должна также включать и другие вопросы о том, как рассчитывать крепи подземных горных выработок, каким образом и на каких принципах выбирать способы строительства объектов с учетом свойств пород и условий строительства, как проводить менеджмент в подземном строительстве, каким образом осуществлять выбор архитектурных и объемно-планировочных решений и каким образом производить оценки основных качеств подземных сооружений и исследовать технико-экономическую целесообразность строительства подземных сооружений [22], [23], [24].
По-видимому главная задача методологии проектирования геосистем заключается в правильной постановке вопросов стратегии освоения недр, в использовании подземного пространства. Очень важно познать и освоить методы освоения подземного пространства и способы строительства подземных сооруже-
ний с учетом условий строительства [27]. Самое удивительное состоит в том, что ответы, даваемые наукой, не могут быть отделены от нее самой. Они не абсолютны и утрачивают ценность, когда выдвинувшая их методология сменяется новой. Это очень хорошо видно на примере проектирования защитных сооружений и объектов гражданской обороны при военной доктрине б. СССР в период великого противостояния двух военных блоков. Теперь имеется новая военная доктрина, а стало быть и методология проектирования защитных объектов. Теперь приходится размышлять о том, что же делать с ранее построенными подземными сооружениями гражданской обороны и каким образом можно их использовать в современных условиях.
Подобное положение и с новоавстрийским способом строительства подземных горных выработок больших сечений. В этом случае новые принципы и подходы к управлению поведением вмещающих горных пород на основе мониторинга позволяют применять практически во всех условиях легкие и эффективные крепи из набрызгбетона в сочетании с сеткой или анкерами, или с металлической фиброй [17].
Принципы проектирования подземных сооружений.
Известно, что свойства недр Земли характеризуются единством в совокупности развивающейся системы, где постоянно происходят фазовые переходы с выделением огромной энер-
гии(землетрясения, обвалы, горные удары, провалы, сдвижения и т.п.). В этих условиях проектирование подземных сооружений осуществляется как процесс создания развивающейся геосистемы, с одной стороны, и как процесс, постоянной переработки информации и принятия решений, генерирования и оценки инженерных решений с учетом особенностей строительства и эксплуатации подземных сооружений, с другой стороны. При этом необходимо производить оценку возмож-
ных последствий строительства подземных сооружений и его влияния на окружающую среду и экономику региона.
В процессе строительства подземного сооружения с использованием современных подходов и методов менеджмента создается с помощью строительной системы подземный объект как многофункциональная, интегральная геосистема для улучшения инфраструктуры и повышения качества жизни людей [24].
Методология проектирования подземных сооружений должна также позволить оценить особенности и свойства пород и участка недр для строящегося объекта с целью выбора:
- места размещения подземных сооружений [11];
- определения функций и технологических процессов подземного объекта, его архитектурных, объемно-планировочных и конструктивных решений;
- технологии строительства подземного сооружения.
Методология проектирования подземных сооружений необходима для:
- определения расчетной стоимости и сроков строительства;
исследования технико-эконо-мической целесообразности строительства подземного сооружения с учетом возможных рисков;
- оценки технического и экономического уровня проекта, оценки его качества и соответствия проекта современным нормам и требованиям.
Разработка проектов подземных сооружений, а затем строительство по ним объектов осуществляется соответственно проектными и строительными организациями по заданию заказчика в соответствии с действующими строительными нормами и правилами [СН и П], техническими условиями, инструкциями , руководствами и другими действующими нормативными документами.
Учитывая, что тоннель является элементом железной или автомобильной
дороги, проект тоннеля разрабатывается как часть проектной магистрали.
При проектировании тоннелей и других подземных сооружений стали более полно учитывать климатические, сейсмические, топографические и инженер-но-геологические условия. Выработаны и применяются решения, повышающие надежность эксплуатации тоннелей, построенных в сложных условиях.
Для выбора и обоснования вариантов трасс тоннельных переходов в последние годы широко используется космическая фотосъемка [12], позволяющая выявлять тектонические разломные зоны.
Разработка проектов линий метрополитена в нашей стране ведется на основе генеральной схемы развития общественного транспорта городов, в которой с учетом развития города и его застройки даются принципиальные направления будущих линий метрополитена, протяженность, места расположений станций, депо и т.п.
Проектирование строительства подземных сооружений должно проводиться на основе комплексного подхода к четырем взаимоувязанным проблемам: инже-нерно-геологической, горно-
технологической, конструкционной и обеспечения устойчивости сооружений во время их эксплуатации [13]. В этом случае представляется возможным выявить все факторы для максимально возможного использования несущих свойств породного массива, передовой технологии и техники с учетом специфики конструкции и его последующей эксплуатации.
В современных проектах подземных сооружений целесообразно предусматривать систему управления массивом горных пород на основе снижения горного давления путем опережающей отработки верхних шахтных полей или создание искусственных полостей в массиве горных пород; использования закладки; комуф-летного взрывания, выбора размеров и формы сечения горных выработок путем придания им наиболее устойчивой формы
сечения, проходки специальных разгрузочных щелей, выбора оптимального ведения горных работ, оптимизации расположения подземных горных выработок и направления их проходки с учетом естественного поля напряжений в нетронутом массиве пород и степени их удароопас-ности.
Взаимосвязь техники, технологии и гео механического состояния окружающего массива обуславливает необходимость научно-обоснованного подхода к проектированию производства горнопроходческих работ. Основные научные положения и инженерные принципы, которыми следует руководствоваться при этом, представлены на рис.1.
Как известно, новое время диктует необходимость решения новых вопросов. Поэтому в проектах требуется разработка специальных мер защиты и устойчивости подземных сооружений (например, прорыв подземных вод и угроза затопления объекта, пожарным выделением большого количества газов в замкнутом пространстве, разрывы главных паротрубо-проводов на электростанциях и т.п.).
При проектировании подземных сооружений необходимо учитывать блочную структуру породного массива и его остаточную прочность. Такие свойства горного массива как его "пластичность" (способность к необратимым деформациям) и ползучесть, релаксация (изменение механических свойств и состояния во времени), необходимо связывать с особенностями поверхностных контактов блоков и структур, т.е. с остаточной прочностью и изменением этой прочности во времени. Свойство остаточной прочности породного массива необходимо использовать для уменьшения затрат на крепление и поддержание горных выработок в рабочем состоянии [26].
В проектах строительства подземных сооружений целесообразно применять высокие технологии строительства: щитовые проходческие комплексы, новоавстрийский способ проходки подземных
горных выработок, химическое укрепление грунтов, мониторинг вмещающих пород, нагнетание цементно-песчаного раствора в напластовании между фундаментами защищаемых сооружений на поверхности и шелыгой свода выработки с целью предотвращения оседания земной
Научно-инженерные принципы проектирования производства горно-проходческих работ
Научные принципы
И
__I
Научное сопровождение этапов инженерных изысканий,проектирования производств горнопроходческих работ
Максимальное использование несущих свойств скального массива
Использование принципов технологии разработки месторождений полезных ископаемых
Оптимизация технологиче-: ских процессов производства горно-проходческих : работ
Направленное изменение ; напряженного состояния | массива пород вокруг со- | оружений
Автоматизация процесса проектирования производства горно-проходческих работ
Инженерные принципы
Технология
Организация скоростных проходок разведочных и подходных выработок
Широкое применение метода контурного взрывания
I Использование об-| легченных видов кре-: пей (набрызг-бетон, анкеры)
\
I
Применение массовой! отбойки пород с по- | мощью глубоких скважин
Переход на одностадийную разработку ядра сооружений
| Применение системы I подземной разработ-| ки маломощных и ! жильных месторождений полезных ископаемых
1
Оборудование
1 Использование высокопро-' изводительного отечественного и импортного оборудования на электрогидравли-ческом приводе
I
Применение мощного самоходного оборудования при выемке породы внутри сооружений
Использование рудничного : электровозного транспорта ! по кольцевой схеме откатки |
Рис. 1 Основные научные положения и инженерные принципы
поверхности по мере разупрочнения и деформирования народного массива в процессе' проходки подземных горных выработок [17].
В проектах подземных сооружений необходимо учитывать закономерности освоения подземного пространства [22], совершенствования объемно-
планировочных, конструктивных и архитектурных решений [23], [24].
Особое внимание теперь следует уделять созданию подземных сооружений нового поколения, для чего в проектах таких объектов следует предусматривать не только высокие технологии, но и запоминающийся архитектурный облик, создание безопасной световой и комфортной среды для проживания человека в подземных условиях.
Усложняются системы подземных сооружений и построены уже совершенно уникальные подземные объекты типа Ла-Маншского подземного железнодорожного перехода.Поэтому нужна новая методология их проектирования и строительства на основе достижений менеджмента, системного концептуального подхода и хорошо аргументированной стратегии освоения подземного пространства. Эффективность проектирования подземных сооружений можно повысить за счет технического творчества и системного проектирования [1].
Подземные сооружения достигли уровня сложных интеллектуальных систем и необходимы для изменения качества жизни людей на основе использования различных свойств недр, высоких технологий и стратегии освоения подземного пространства. Все чаще подземные сооружения представляются как пространственные многофункциональные структуры (многоцелевые околостволь-ные дворы, утилидоры,подземные города и пересадочные комплексы) [24].
Оценка качества проектов подземных сооружений
Возрастающие ресурсы государств, достижения в науке, технике и технологии подземного строительства позволяют в настоящее время в огромных масштабах вести строительство гидростанций в разных странах, создавать линии метрополитена нового поколения, строить тоннель под проливом Ла-Манш, возводить огромные канализационные системы в городах, а также в огромных масштабах осуществлять использование подземного пространства крупных городов. Отсюда становится понятной трудность оценки качества таких сложных и крупных проектов подземных сооружений и необходимость создания методики комплексной оценки качества проектов подземных сооружений.
Допускаемые просчеты в проектировании и строительстве подземных сооружений в значительной мере обусловлены отсутствием совершенных методов оценки качества проектов подземных сооружений, относящихся к сложным системам.
Постоянные размышления о зарубежном опыте строительства подземных сооружений и горнодобывающих предприятий позволяют увидеть, что свойства подземных сооружений являются периодической функцией свойств горных пород и горногеологических условий строительства, архитектурных решений, технологии и организации подземного строительства.
Это очень заметно уже сегодня при строительстве подземных сооружений нового поколения, позволяющих за счет этих свойств и структуры подземных объектов обеспечить качественно новый уровень жизни людей.
Повышение эффективности и качества проектов подземных сооружений на основе оценки совокупности качества проекта подземного сооружения путем анализа многомерного вектора оценок технического и экономического уровня проекта подземного объекта как сложной системы, а также путем определения сте-
пени соответствия проектов основным достижениям науки и техники, нормам технологического проектирования подземных сооружений, правилам безопасности, строительным нормам и правилам.
Методы оценки качества проектов подземных сооружений позволяют улучшить процесс экспертизы этих проектов и анализа наиболее существенных особенностей и свойств проектов подземных сооружений, выявить их резервы и недостатки, определить технический и экологический уровень проектных решений и степень их совершенства по сравнению с соответствующими проектами-аналогами и достижениями науки и техники.
Новые методы оценки качества проектов основаны на систем но-структурном подходе, использовании опыта и закономерностей процесса экспертизы проектов, теории распознавания образов, квали-метрии, теории принятий решений и проектирования сложных систем. В этом случае предусматривается поэтапный подход к оценке качества проектов подземных сооружений:
- оценка свойств горных пород и горногеологических свойств участка для строительства [11];
- оценка технического уровня проектов подземных сооружений на основе анализа архитектурных, технологических, конструктивных, объемно-планировоч-ных решений и технологий строительства [14], [15], [16], [17];
- технико-экономическая оценка качества проектных решений с анализом целесообразности строительства подземных сооружений с учетом критериев оценки целесообразности освоения подземного пространства [18], анализа рисков инвестиций в строительство [19], [20] и анализа факторов, возникающих при использовании подземного пространства [21].
Такой метод оценки качества проектов помогает всесторонне оценить и основные свойства проекта подземного сооружения на всех этапах менеджмента в
подземном строительстве, поскольку позволяет определить соответствие проектных решений современному уровню развития науки и техники и наметить пути улучшения проектных решений и снижения стоимости строительства. Это свидетельствует об эффективности нового научного направления методологии проектирования подземных сооружений как геосистем.
ВЫВОДЫ
1. Методология проектирования подземных сооружений по существу является целевой функцией проектирования геосистем и составной частью теории проектирования освоения недр, поскольку методология является аппаратом, специально приспособленным для осуществления процесса принятия решений при проектировании подземных сооружений и освоения подземного пространства.
2. Дальнейшее совершенствование методологии проектирования подземных сооружений должно осуществляться путем поиска приемов и проектных решений для более широкого использования свойств недр земли в подземных сооружениях будущего и особенно использовании энергии фазовых переходов в горных породах. При этом технология строительства подземных сооружений должна приниматься на принципе сохранения недр и сохранении качества окружающих природной среды.
3. Номенклатура подземных сооружений расширится в ближайшем будущем за счет перемещения хранилищ отходов, а также производственных цехов, служб и некоторых сооружений в подземное пространство в целях создания недопущения перехода границы ассимиляционных возможностей природной среды и создания удовлетворительных условий жизни населения и защиты окружающей среды.
4. Методология проектирования подземных сооружений необходима деловым людям, как ее потребителям, поскольку они должны быть информирова-
ны о новых принципах, подходах и методах принятия решений в соответствии с современными требованиями при проектировании и строительстве подземных сооружений.
5. В данной работе поставлены и в определенной мере решены принципиальные задачи методологического обос-
нования проектирования подземных сооружений.
6. Приведенный в конце доклада список литературы даст исчерпывающие рекомендации читателям, пожелающим расширить свои познания в области проектирования подземных сооружений.
ЛИТЕРАТУРА
1.Петренко Е.В. Методология горных наук - область высокой интеллектуальной сложности, 'Торный журнал", 1995, N5, с. 19-21.
2.Петренко Е.В. Освоение подземного пространства, М./'Недра", 1988, 150с.
З.Дядькин Ю.Д. Проблемы комплексного освоения ресурсов недр и использования подземного пространства, "Горный журнал" 1990,N7, с.54-57.
4.Шемякин Е.И. Проблемы освоения подземного пространства,"Подземное и шахтное строительство", 1991, N3, с.2-5.
5.Гейман Л.М. Подземные сооружения. "Горная энциклопедия", 1989, т.4, с. 164-
168.
6.Картозия Б.А. "Строительная геотехнология" как составная часть комплекса горных наук и ее роль в решении проблемы освоения подземного пространства. МГГУ. "Горный информационно-аналитический бюллетень, М. 1993, Выпуск 9-12, с.8-15.
7.Попов В.А. Проектирование строительства подземных сооружений. М., "Недра", 1989,318с.
8.Дитрих Я. , Проектирование и конструктирование. Системный подход., М., "Мир", 1981,454с.
9.Хилл П., Наука и искусство проектирования.,М.,"Мир", 1973, 263с.
10.Гусаков А.А., Григорьев Э.П., Ткаченко О.С., Горниак Л., Мишклкович П., Симак Д., Выбор проектных решений в строительстве, М., "Стройиздат", 1982, 265с.
11.Борисов С.Ф., Буров А.Т., Кудрявцев Б.В., Петренко Е.В., Выбор участков недр для строительства подземных объектов народного хозяйства. М., ЦНИИпромзданий, Сборник научных трудов "Подземные объекты народного хозяйства", 1990, с.3-18.
12.Макаров О.Н., Меркин В.Е.,Транспортные тоннели и метрополитены. Техника и технология строительства: состояние и перспективы. М., "ТИМР", 1991, 172с.
13.Мельников Н.Н., Гущин В.В., Епимахов Ю.А. Научно-инженерные принципы проектирования и строительство подземных сооружений в скальном массиве. М., ЦНИИпромзданий, Сборник научных трудов "Подземные объекты народного хозяйства", 1990, с. 96-107.
14.Николаева В.Н., Петренко Е.В., Интерьеры подземных сооружений, "Подземное и шахтное строительство", 1990, N10, с.5-8.
15.Петренко Е.В., Беляев А.Г., Николаева В.И. Объемно-планировочные решения подземных объектов. "Промышленное и гражданское строительство", 1992,N9, с.4-6.
16.Петренко Е.В., Петренко И.Е. Основные направления повышения устойчивости горных выработок. "Шахтное строительство", 1987, N6. с. 10-12.
17.Петренко Е.В., Петренко И.Е., Высокие технологии в освоении подземного пространства, Альманах научно-технической информации. Приложение к журналу "Подземное пространство мира", 1993, Выпуск 1, с.3-12.
18.Петренко Е.В., Петренко И.Е., Критерии оценки целесообразности освоения подземного пространства. МГГУ. Горный информационно-аналитический бюллетень, М., 1995, Выпуск N4, с.28-29.
19.Астахов А.С. Критерии эффективности инвестиционных проектов и фактор риска. МГГУ. Горный информационно-аналитический бюллетень. М., 1995, Выпуск N4, с.Ю-П.
20. Ястржембаский И.Э. Требования к технико-экономическому обоснованию проекта в рыночных условиях, "Горный журнал", 1995, N3, с.14-16.
21.Умнов В.А., Шелоумов А.А. Анализ факторов, возникающих при использовании подземного пространства. МГГУ. Горный информационно-аналитический бюллетень, М., 1995, Выпуск N1, с.94-97.
22.Петренко Е.В., Петренко И.Е. Закономерности освоения подземного пространства. "Подземное пространство мира", 1995, N3-4, с.69-74.
23.Совершенствование объемно-планировочных и конструктивных решений подземных сооружений. Альманах научно-технической информации, приложение к журналу "Подземное пространство мира", 1994, Выпуск N2, с.24-30.
24.Петренко Е.В., Николаева В.И., Петренко И.Е. Архитектура подземных сооружений, "Подземное и шахтное строительство", 1993, N1-2, с.24-29.
25.Васильчук М.П., Ильин А.М., Зимин B.C. Трубецкой К.Н., Чантурия В.А., Чаплыгин Н.Н., Каплунов Д.Р. Недра и основные положения экологической безопасности их освоения, "Горный журнал", 1995, N7, с. 17-21.
26.Шемякин Е.И., Использование подземного пространства как среды обитания человека, "Горный журнал", 1995,N8, с.35-39.
27.Петренко Е.В., Петренко И.Е., Зарубежный опыт освоения подземного пространства, 'Торный журнал", 1995, N8, с.49-51.
