CC BY
44
УДК 69.035.4 Е.Ю. Куликова
ОСНОВОПОЛАГАЮЩИЕ ПРИНЦИПЫ РАЗРАБОТКИ МЕТОДОЛОГИИ ВЫБОРА ЭКОЛОГИЧЕСКИ БЕЗОПАСНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ СТРОИТЕЛЬСТВА ПОДЗЕМНЫХ СООРУЖЕНИЙ*
~П о второй половине 90-х годов XX века
-Я-9 сформировалась современная концепция использования и сохранения недр и новая классификация горных наук. В соответствии с новой классификацией возникла новая наука «Строительная геотехнология», которая призвана осуществлять научное обеспечение проблемы освоения подземного пространства как специфического георесурса недр.
Усложнение условий строительства, требований к технике и технологии горностроительных работ, широкое освоение подземного пространства крупных городов и усиление экологической нагрузки на окружающую среду мегаполисов вызвали необходимость изыскания новых методологических подходов к подземному строительству и фундаментальным принципам освоения подземного пространства.
Условия строительства подземных сооружений характеризуются разнообразием переменных природных и техногенных факторов, взаимодействие которых создает множество комбинаций, отражающих специфику требований к способам их строительства. Изменение любого из влияющих факторов может привести к нарушению не только технологического режима, но и экологического баланса в формируемой природно-технической системе «породный массив - технология - подземное сооружение». В этих условиях разработка методологии выбора технологий строительства подземных сооружений, отвечающих требованиям экологической безопасности, является актуальной научной проблемой.
Экологическая безопасность подземного сооружения есть искусственно приданное качество, обеспечивающее минимизацию небла-
гоприятных экологических последствий взаимодействия элементов системы «подземное сооружение - окружающая среда» при строительстве и эксплуатации сооружения.
В качестве критерия экологической безопасности природно-технической системы «породный массив - технология - подземное сооружение» можно использовать суммарные потери, понесенные объектами природы на всех этапах строительств и эксплуатации подземного объекта.
Для оценки экологической безопасности в подземном строительстве используют такие характеристики надежности, как вид, последствия и критичность отказов тоннелей. При этом каждый вид отказа ранжируется с учетом двух составляющих критичности: вероятности (или частоты) и тяжести последствий отказа, что аналогично понятию риска. Понятие критичности может быть использовано для количественной оценки риска аварии.
Комплекс предупредительных мер по инженерной защите окружающей среды от экологической опасности применения технологий строительства подземных объектов включает в себя конкретные решения по эффективной компенсации возможных потерь. Цель такой компенсации - в создании предпосылок для обеспечения максимальной скорости самовосстановления системы, которая, в свою очередь, функционально связана с уровнем техногенного изменения окружающей среды под воздействием подземного строительства.
Мерой состояния природно-технической системы «породный массив - технология -подземное сооружение» и мерой ее техногенных свойств является энтропия. Увеличение техногенной нагрузки (шц>Юі) повышает эко-
* Выполнено при финансовой поддержке в форме гранта Министерства образования РФ
логическим риск за счет техногенного снижения защитных функций объектов окружающей среды, т.е. £й11<£й1. В этом случае энтропия природно-технической системы «породный массив - технология - подземное сооружение» возрастает, что влечет повышение экологического риска применения заданной технологии строительства подземного объекта.
Таким образом, важными требованиями, предъявляемыми к формированию и функционированию природно-технической системы «породный массив - технология - подземное сооружение» являются требования, направленные на минимизацию экологического риска за счет уменьшения энтропии.
Поскольку процессы в породном массиве, вмещающем подземное сооружение, протекают непрерывно с изменениями от техногенного воздействия, то при выборе технологии и последующем проектировании сооружения возникает вопрос уточнения исходных данных. Поэтому методология выбора экологически безопасных технологий строительства подземных сооружений должна основываться на моделировании взаимодействия подземного сооружения с окружающей средой.
Целью такого моделирования является выявление связей внутри природно-технической системы «породный массив - технология - подзем-
ное сооружение» в динамике для дальнейшего прогнозирования критических ситуаций и определения таких значений параметров, которые характеризовали бы состояние системы как безопасное.
Подход к моделированию поведения подземных сооружений основывается на том, что любой подземный объект рассматривается как один из составляющих элементов сложной природнотехнической системы. Первый элемент системы (массив вмещающих пород) находится в состоянии сложной динамичной взаимосвязи с третьим (подземном сооружении). Второй элемент (технология строительства сооружения) является связующим звеном между всеми элементами системы, во многом определяющим характер взаимодействия между ними и поведения системы в целом на весь период существования подземного объекта.
В силу постоянного изменения свойств и состояния отдельных элементов, а также характера их взаимодействия, система обладает ярко выраженной динамичностью. Основным элементом окружающей среды, испытывающим динамические изменения от функционирования системы «породный массив - технология - подземное сооружение» является массив вмещающих сооружение пород. Опосредованно через массив это влияние передается и на
Цикл комплексного освоения георесурса недр с учетом приоритета характера взаимовлияния элементов в системе «массив - технология - сооружение»
Участок породного массива в исходном состоянии
• природный состав георесурсов;
• горно-геологические условия;
• горнотехнические условия;
• гидрогеологические условия;
• термодинамические условия
I
Внешние факторы
• экологическое состоянии территории;
• социально-экологические и экономические факторы;
• климатические факторы.
Освоение участка породного массива в целях коммунального строительства
Оптимизация и реапизация строительных геотехнологий
Сформировавшаяся система «г массив
сооружение»
Сохранение массива пород как комппексного георесурса
Динамика состояний окружающей среды
Изменение количественных и качественных характеристик; окружающей среды
I
Окружающая среда в измененном состоянии
Изменение состава и свойств пород; оседание земной поверхности; сдвижение горных пород; загрязнение атмосферы; изменение характера миграции подземных вод; загрязнение гидросферы
А.
МИНИМИЗАЦИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО УЩЕРБА ДЛЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
Рис. 1
Рис. 2
другие компоненты природной экосистемы (рис. 1). Тогда состояние системы «породный массив - подземное сооружение» будет характеризоваться определенными параметрами, а ее безопасное состояние - сочетанием значений этих параметров.
Основными факторами, определяющими состояние нашей системы, являются тепловлажностные и фильтрационные воздействия, а также воздействия агрессивной среды. Именно эти воздействия способствуют развитию отказов и дефектов в обделках тоннеля, что снижает его техническую и технологическую надежность и наносит существенный урон окружающей среде (рис. 2). Поэтому моделирование динамики развития этих процессов и определение реальных значений параметров, поддержание которых обеспечивало бы безопасное функционирование системы и минимизацию ущерба для окружающей среды со стороны подземного объекта состоит в рассмотрении задач тепломассообмена, фильтрационного и химического взаимодействия между элементами системы «сооружение - массив».
В общем виде при наличии V параметров, определяющих состояние системы «массив -технология - подземное сооружение» при п сочетании значений этих параметров, можно установить сочетание, которое определяет безо-
пасное состояние системы при любом характере взаимодействия природных и техногенных факторов. Если V; параметров определяет 1-е сочетание значений параметров, определяющих безопасность системы, то для п сочетаний число способов, которыми это сочетание может быть реализовано, описывается формулой: Число способов
(2)
Пу !
1-1 1
где Т7у,! = (VI!)• ^!)• (^з!) • (у,!)
Исходя из равновероятного распределения, вероятность р того, что будет , выбрано I сочетаний значений параметров, определяющих безопасное состояние природно-технической системы, может быть найдена из формулы:
*= П; з
Если все рассматриваемые параметры обеспечивают какое-то определенное сочетание значений, то можно оценить какое из типов сочетаний сформирует любой произвольно выбранный параметр состояния системы. Энтропия Н рассматриваемой системы является мерой ее неупорядоченности и выражается формулой:
н = -Т.р, 1п р, (4)
1-1
Это дает возможность разработать методику выбора экологически безопасных технологий строительства подземных объектов.
Предлагаемая методика заключается в представлении объекта выбора как неотъемлемой части сложной динамической природнотехнической системы. Составляющие этой системы раскрываются при помощи структуризации элементов объектов выбора через классификационные структуры, характеризующие особенности условий существования системы «массив - сооружение» с учетом значений параметров системы, определяющих ее безопасное состояние.
Системный подход при этом подразумевает комплексный характер взаимовлияния всех факторов, характеризующих состояние системы в данный момент времени. Основу разработанной, методологии составляют закономерности взаимодействия подземного сооружения с окружающей средой, а так( же многокритериальная эколого-экономи-ческая оценка безопасного функционирования природнотехнической системы.
Целевая функция выбора - разработка оптимальных сочетаний параметров, направленных на обеспечения безопасного и устойчивого функционирования системы в пределах ее жизненного цикла.
Самой распространенной и значимой причиной отказа подземного сооружения является существенное снижение фильтрационной надежности подземных объектов.
Анализ снижения фильтрационной надежности показывает, что дефекты в обделках тоннелей возникают, в основном, под воздействием фильтрации подземных вод и выщелачивающей коррозии 1 вида. Указанные явлений исключается при достижении коэффициентом фильтрации бетона величины порядка 10"7-10"8 см/с, т.е. когда создаются условия для переноса влаги за счет молекулярной диффузии или тепломассопереноса. Требования СНиП и технической документации к степени водонепроницаемости обделок значительно ниже этого параметра. Поэтому необходим новый принцип определения допустимой степени водонепроницаемости, в основу которого закладывается учет экологической надежности подземных сооружений.
При обычных напорах (не более 0,15 МПа) коэффициенты фильтрации обделок удовлетворяют бетону марки Ш2 по водонепроницаемости. С ростом напора подземных вод вели-
чина предельного коэффициента фильтрации снижается. Поэтому основной задачей является определение предела такого снижения и условий, при которых перенос влаги по всей толщине обделки снижается до минимума.
Одним из этапов решения данной задачи является расчет коэффициентов фильтрации бетона обделок по требованию долговечности для выбранных типов обделки тоннелей открытого и подземного способа работ. Важным моментом при этом является разграничение требований к предельному значению коэффициента фильтрации бетонных обделок по фактору водонепроницаемости и отдельно по фактору выщелачивающей коррозии, и сравнение полученных результатов на предмет определения условий работы обделки.
Определение указанных показателей позволяет обосновать причины появление течей, «свищей» и других дефектов в несущих конструкциях тоннелей, заложенных в различных породах, характерных для условий города.
Следующим этапом решения задачи является оценка реальной плотности бетонных обделок городских тоннелей. Для этого необходимо использовать методы вероятностностатистической обработки результатов обследования фильтрационных свойств обделок московских тоннелей, полученных при акустическом контроле. Данный этап связан с необходимостью определения причин того, что фильтрационная надежность монолитных бетонных обделок действующих подземных сооружений не отвечает уровню требований, предъявляемых к ним с позиций обеспечения заданных влажностных условий при работе объекта.
Недостаточная плотность обделок ставит вопрос о влиянии фильтрационных свойств вмещающих горных пород на уровень гидроизоляционной защиты сооружения. Сравнение полученных результатов с данными фильтрационных характеристик грунтов, в которых в основном закладываются тоннели, позволяет определить предельную величину коэффициента фильтрации пород, ниже которой грунты создают удовлетворительную защиту тоннеля от подземных вод - 10"1 м/с.
При создании любой природно-техни-ческой системы возникает задача двоякого типа: с одной стороны необходимо сокращение сроков и стоимостных показателей строительства, а с другой -минимизация изменений равновесного состояния системы «породный массив - подземное соору-
жение». На практике не всегда создается возможность для удовлетворения сразу обоих требований. Поэтому необходимо предварительное прогнозирование ущерба для окружающей среды в результате осуществления проекта на основе априорной информации о формирующейся природно-технической системы и информации о динамике ее состояний в процессе жизненного цикла подземного сооружения. При этом формируется новое понятие - понятие экологической совместимости несущих и ограждающих конструкций тоннелей, а также технологий их возведения с массивом вмещающих пород.
В нашем исследовании под экологически совместимыми технологиями подземного строительства понимаются технологии, разрабатываемые для единой системы «массив - технология -подземное сооружение» с учетом динамической взаимосвязи всех элементов и сохранения подземного пространства как видоизменяемого георесурса, и возможности оперативного регулирования параметров в зависимости от изменения состояния этой системы. Выбор конкретной технологии строительства тоннеля осуществляется не только с позиций приемлемости и осуществимости технологии в конкретной обстановке, но и по следующим экономическим показателям.
При прочих равных условиях предпочтительным является вариант с наименьшими суммарными приведенными затратами. Будет определен эффект от реализации мероприятий инженерной защиты, в качестве которого может быть предотвращенный ущерб, исчисляемый с учетом фактора времени, годового прироста прибыли в первый (нулевой) год внедрения мероприятий; срока действия экологических фондов или затрат на охрану природной среды.
Таким образом, формирование методологии выбора экологически безопасных технологий строительства подземных сооружений предопределяется следующими основными тезисами.
1. Подземное сооружение рассматривается как видоизменяемый георесурс, относящийся к классу динамических открытых управляемых
систем. Совместно с массивом горных пород подземный объект образует природно-техническую систему, динамически изменяющуюся в пространстве и во времени. Экологическая безопасность, как специфическое качество такой системы может быть обеспечена только при комплексном учете взаимовлияния и взаимодействия элементов системы друг с другом.
2. Строительству подземных сооружений должно предшествовать экологическое обоснование, включающее: всесторонний анализ изменения окружающей среды под воздействием подземного объекта; оценку экологического риска намечаемых технических решений, включая возможность возникновения аварийных ситуаций; мониторинг за состоянием природной среды в период всего жизненного цикла сложной природно-технической системы. Технология строительства является связующим звеном между всеми элементами системы, во многом определяющим характер взаимодействия между ними и поведения системы в целом на весь период существования подземного объекта.
Основным выводом является тот факт, что эффективное освоение подземного пространства возможно только при условии экологической совместимости подземного объекта с массивом вмещающих пород и технологическими приемами. Указанная совместимость основана на выработке конкретных решений инженерной защиты окружающей среды с временным опережением по формирующим стадиям технологического цикла и обеспечении гарантированного природоохранного потенциала на каждой стадии работы системы «массив - технология - подземное сооружение». В основе концепции выбора технологии строительства должно лежать сочетание априорной информации о формирующейся природно-технической геосистеме, о динамике ее состояний в процессе жизненного цикла подземного сооружения и возможностей оперативного регулирования технологических параметров в зависимости от изменения состояния этой системы.
Коротко об авторах ----------------------------------------------------------------
Куликова Елена Юрьевна - доктор технических наук, профессор кафедры «Строительство подземных сооружений и шахт», Московский государственный горный университет.
