книги / Строительная геотехнология
..pdfнять наименьшим, но не в ущерб качеству и полноты иссле дований (здесь проявляется обычное противоречие, которое может быть правильно разрешено только проверкой на практике).
Критерии из группы горно-технологических критериев по отношению к ПТГС являются внутренними и частными.
Для эффективного, безопасного и устойчивого функ ционирования ПТГС горно-технологических критериев оценки явно недостаточно.
При оптимальном проектировании ПТГС, имеющей сложную структуру, необходимо учитывать, что оптимизи руется не только технология, но и организация, а также ком плекс условий, в которых она функционирует.
Строительство и функционирование подземного соору жения тесно связаны с воздействием на окружающую при родную среду. Поэтому в проектах строительства должно быть уделено серьезное внимание мероприятиям по исклю чению или снижению вредного воздействия на окружающую среду. Это достигается использованием различных экологи ческих критериев.
Критерии экологической безопасности ПТГС становятся все более значимыми ввиду критического состояния природ ной среды. Трудности, связанные с использованием экологи ческих критериев ПТГС, основаны на неизученности слож ного механизма возникновения экологических последствий.
Очень важным является и то, что проектирование и строи тельство подземного объекта происходят в условиях дефицита информации. Возможность катастрофических последствий не верно принятых решений (риск) можно прогнозировать только на вероятностном уровне, причем чем сложнее горно-геологи ческие условия, тем труднее это сделать.
По Е.С. Дзекцеру, «риск — это мера (вероятностная) возможности реализации опасности в виде некоторого ущерба Ry в искусственно создаваемой действиями субъекта ситуации больше допустимого Яд». Эта ситуация может воз никнуть, например, при строительстве и эксплуатации под земных объектов в сейсмоопасном районе, а также в любых сложных горно-геологических условиях. Таким образом,
187
риск характеризует вероятность реализации ущерба. При этом действия субъекта могут вызвать опасность для себя (внутренний риск) и для объекта и среды (внешний риск). Причина риска — это отсутствие у субъекта необходимой информации и знаний о закономерностях возникновения и развития процессов формирования неблагоприятных про цессов (детерминированных и стохастических).
Упреждение опасности и ресурсосбережение должны быть определяющими критериями проектирования ПТГС.
Гораздо большего внимания заслуживают социальные критерии — нередко действительно наиважнейшие. Сле дует отметить, что содержание социальных критериев, способы их численной оценки, а также сопоставления ме жду собой и с экономическими критериями еще плохо про работаны.
На рис. 5.17 представлена разработанная автором клас сификация критериев оценки эффективности функциониро вания природно-технической геосистемы. В систему крите риев, позволяющих оценить эффективность ПТГС, входят функциональные критерии, группа горно-технологических, экономических и антропогенных критериев.
Каждый такой критерий, измеряемый в денежной или натуральной форме, дает оценку одной или нескольких сторон многогранного понятия «эффективность». Наибо лее комплексной оценки достигают при использовании экономических и антропогенных критериев. Остальные из перечисленных выше показателей определяют не цель, а средство достижения экономического эффекта и, получив денежную оценку, могут быть включены в состав эконо мического критерия.
Функциональные критерии характеризуют важнейшие показатели реализации функций ПТГС, отображающие ос новные принципы функционирования подземного объекта, т.е. физические и информационные процессы, происходящие в объекте. При этом весьма важно знание о качестве функ ционирования системы.
188
Рис. 5.17. Классификация критериев эффективности ПТГС в сложных горно-геологических условиях
В зависимости от функционального назначения под земного объекта эта группа критериев имеет разное коли чественное выражение. Так, например, для горно-добыва ющих предприятий — это годовая мощность (млн т/год), для тоннеля — пропускная способность, для подземных ГЭС — выработка электроэнергии, кВт. Относящийся к этой группе критерий надежности характеризует безот казность, долговечность и ремонтопригодность подзем ного объекта.
Группа горно-технологических критериев, помимо при веденных на рис. 5.16, включает также:
189
♦критерии типизации, стандартизации и унификации, которые оценивают уровень использования в ПТГС стандартных и унифицированных элементов, типовых технических решений и нормативов;
♦критерий использования материалов — показатель экономии материалов, израсходованных на строитель ство подземного объекта, характеризует прогрессив ность используемых технологий;
♦критерий трудоемкости — показатель технологично сти технической системы.
Горно-технологические критерии оценивают экономию
живого и овеществленного труда при строительстве подзем ных объектов.
Большая группа экономических критериев связана с экономической целесообразностью реализации функций с помощью данной ПТГС и оценивает экономическую эффек тивность системы. В эту группу включен также критерий за трат на информационное обеспечение ПТГС — показатель, оценивающий затраты на подготовку и обработку инфор мации, необходимой для эффективного и безопасного функ ционирования ПТГС (см. подразд. 5.3).
Антропогенные критерии — это показатели деятельно сти человека, ведущей к изменениям в природе, показатели соответствия и приспособления ПТГС к человеку, снижения дискомфорта и повышения положительных эмоций, умень шения или исключения вредных и опасных воздействий на человека.
Критерии экологичности — это показатели отрицательно го влияния подземного сооружения на 01фужающую среду.
Шахтное и подземное строительство влечет за собой ряд негативных в экологическом отношении процессов. К ним относятся:
♦ изменения гидрогеологических условий (режим, хи мический состав, температура), захватывающие глубо кие водоносные горизонты; ♦ вовлечение в оборот агрессивных и минерализован
ных сбросных подземных вод;
190
♦изменение напряженного состояния горных пород в глубине массивов (формирование внезапных выбросов, горных ударов, вывалов, мульд проседания и т.д.);
♦изменение температурного поля массива. Неблагоприятное воздействие горных работ на окру
жающую среду проявляется также в загрязнении атмосферы, воды или почвы пылью, газами, твердыми отходами.
Нереально полностью прекратить воздействие на окру жающую среду. Разумный алгоритм действий человека в этой области состоит в создании строго контролируемой системы этих воздействий и осуществлении их таким обра зом, чтобы они не превышали возможности природного ме ханизма к саморегуляции.
Соблюдение экологических норм при строительстве подземных сооружений становится одним из важных на правлений практической деятельности.
Критерий безопасности — это показатель, оцениваю щий уровень возможных вредных и опасных воздействий ПТГС на людей, приводящих к временной потере трудоспо собности, увечью, смертельным исходам.
Деятельность любой ПТГС тесно связана с решением не только производственных и экономических задач, но и с за дачами социальной направленности. Перечень таких задач определяется тем, насколько удовлетворительной является фактическая социальная обустроенность коллектива пред приятия в данное время. Конкретные направления и объем задач по нормализации социальных условий определяется в результате анализа фактического состояния дел. Система со ответствующих социальных критериев призвана дать основу принимаемым в этой области решениям.
Основными характеристиками социальной обустроен ности коллектива являются:
♦обеспечение работников и членов их семей жильем;
♦наличие и степень развитости социальной инфра структуры района проживания;
♦санитарно-гигиенические условия проживания;
191
♦надежность системы снабжения населения важнейши ми видами продуктов и другими товарами, а также теп лом и энергией;
♦занятость населения.
По целому ряду показателей социальной направленно сти имеются утвержденные нормативы и требования, подле жащие соблюдению.
5.5. НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ
МЕТОДОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СТРОИТЕЛЬСТВА П О ДЗЕМ Н Ы Х СООРУЖ ЕНИЙ В СЛОЖ НЫХ ГОРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ
Современная практика проектирования строительства подземных сооружений в основном использует традицион ный эмпирический подход, основанный на опыте строитель ства аналогичных объектов, на данных инженерных изыска ний и на наблюдениях за процессом строительства. Такой подход характеризуется достижением соответствия между характеристиками проектируемых подземных объектов и способами их строительства в рамках узкой специализации (например, строительства выработок горно-добывающих предприятий, подземных сооружений коммунального назна чения, транспортных, гидротехнических тоннелей и др.) и не учитывает возможностей их повторного использования в новом функциональном качестве.
Проекты наиболее крупных и ответственных подземных объектов выполняют головные институты, которые имеются в каждой отрасли или подотрасли. Такая методология про ектирования по отраслевому принципу позволяла решать сложные вопросы для конкретных горно-добывающих пред приятий и подземных сооружений.
В последние годы в области автоматизированного проек тирования наметился переход на новые информационные тех нологии, основанные на базах знаний и экспертных системах. Большинство разработанных к настоящему времени эксперт
192
ных систем являются диагностическими, т.е. ориентированны ми на анализ (оценку) объекта, явления или ситуации в зависи мости от конкретных значений исходных параметров (призна кового пространства). Такие экспертные системы нашли широ кое применение в медицине, геологии, химии, машиностроении и других предметных областях.
Функциональная направленность проектирования стро ительства подземных сооружений в сложных горно-геологи ческих условиях значительно шире и заключается в основном в синтезе проектного решения. По сути процесс проектирования сводится к генерации проектного решения с последующей про веркой на соответствие целому ряду требований различных нормативных документов (СНиП, ГОСТ, ЕНиР, ТУ и т.п.). Это требования прочности, экономичности, экологичности, техно логичности строительства, эксплуатации или повторного ис пользования подземных сооружений.
Наряду с главной задачей — синтез проектного решения
— решаются также локальные задачи, например: оценка на пряженно-деформированного состояния массива, расчет па раметров крепи, выбор техники и технологии проходческих работ, экономическая оценка технологических решений и т.п. В отличие от экспертных систем диагностического типа в проектировании строительства подземных сооружений не четко определена конечная цель функционирования систе мы, так как каждый раз система может быть ориентирована на решение различных проектных задач в зависимости от раздела проекта, стадии и комплексности проектирования. Это накладывает ограничения как на структуру входных па раметров, так и на структуру базы знаний. Отмеченная спе цифическая особенность проектирования строительства под земных сооружений выделяет их в самостоятельный класс экспертных систем, для создания которых требуются научно обоснованные подходы, совершенные инструментальные средства и подготовленные специалисты.
До настоящего времени технология строительства, экс плуатации, реконструкции и повторного использования под земных сооружений слабо учитывала требования сохранения стабильности окружающей среды.
193
Вместе с тем закрытие и ликвидация угольных шахт приводит к необходимости использования имеющегося тех ногенного подземного пространства очистных и подготови тельных выработок именно для решения экологических про блем и проектированию повторного использования этого выработанного пространства в качестве хранилища отходов различной этиологии.
По мнению В.Н. Скубы и других ученых, разработка ме тодологических основ освоения выработанного пространст ва недр (ВПН) должна быть направлена на то, чтобы из зем ных недр не вынимать ни одного кубического метра горной массы без технического решения его 100 %-го использова ния, обоснования полезности образованного при этом вы работанного пространства для народного хозяйства и улуч шения экологического состояния среды. Для решения этой проблемы необходимо провести исследования по ее важ нейшим аспектам:
♦объемная распространенность подземного простран ства, обусловливающая оценку возможности использо вания недр по горизонтам и вертикали с учетом климата региона, свойств массива и уровня техники;
♦многовариантность освоения подземного простран ства, предусматривающая исследования по разработке различных технологий образования ВПН;
♦многофункциональность, т.е. возможность использо вания пространства для различных целей;
♦технико-экономические оценки освоения подземного пространства с учетом стоимостных параметров при родных составляющих среды (земля, лес, вода, воздух);
♦определение свойств породного массива, вмещающе го выработанное пространство;
♦энергетические аспекты освоения подземного про странства, выявляемые в результате теплофизических, аэрологических и других специальных исследований;
♦изучение влияния подземного пространства на жизне деятельность человека (психофизические, геронтологи ческие и другие медико-биологические особенности);
194
♦ оценка экологических характеристик подземного пространства как среды обитания человека, раститель ного и животного мира, функционирования машин, а также степени влияния опасности его освоения на окру жающую среду, инженерные сооружения и человека на поверхности земли.
Всвязи с этим необходимо произвести переоценку всех технологических способов подземного строительства, требова ний к материалам и конструкциям подземных сооружений.
Воснове технологических решений, принимаемых на разных стадиях проектирования подземных объектов, долж ны лежать принципы приоритетности безопасности и ком фортности труда человека в подземном пространстве и со хранности окружающей среды.
Предлагаемая методология заключается в представлении объекта проектирования как неотъемлемой части сложной динамической природно-технической геосистемы (ПТГС), включающей еще два элемента: «окружающий породный массив» и «технологию».
Составляющие этой системы раскрываются посредством структуризации элементов объектов проектирования как
системы «массив — технология — подземное сооружение» через классификационные структуры, характеризующие особенности условий строительства подземных объектов, их функционального назначения, методов подготовки и спосо бов воздействия на массив горных пород, способов строи тельства и организационно-технических решений при строи тельстве подземных сооружений в сложных горно геологических условиях.
Системный подход означает не только целостную раз работку объемно-планировочных, конструктивных, техно логических, санитарно-технических и энергетических частей проекта, но и поиск организационно-технических решений, средств и методов проектирования и управления строитель ством. При этом обеспечивается выбор оптимальных конст руктивно-технологических решений, в наибольшей степени отвечающих требованиям надежности и долговечности со оружения, индустриализации и комплексной механизации
195
строительства, сроков и стоимости производства работ, обеспечения сохранности окружающей среды.
Основу разработанной методологии составляет класси фикация сложных горно-геологических условий, а также ме тодов подготовки и способов воздействия на породный мас сив. Классификация включает 6 методов подготовки масси ва, которые объединяют 20 способов воздействия на массив и 11 способов строительства подземных сооружений.
Исследования в данной области позволили выявить но вые ресурсные возможности в методологии проектирования, которые будут соответствовать современным потребитель ским запросам и включать в себя потенциальную возмож ность оптимизации проектных решений, начиная с анализа исходных данных породного массива, закладываемых в про ект функциональных характеристик подземного сооружения, и способов строительства с учетом последних достижений науки и техники.
Под ресурсными возможностями в данном случае пони маются новые методические подходы к использованию имеющихся знаний при проектировании, а также собственно накопление новых знаний.
Предлагаемый методологический подход к проектиро ванию строительства подземных сооружений увязан с общей методологией комплексного освоения недр, что достигается путем соответствия принимаемых решений совокупности общих требований. Степень такого соответствия оценивает ся с помощью специальных критериев, позволяющих про гнозировать технические, экономические, экологические и социальные последствия принимаемых решений.
Свойства системной модели «массив — технология — подземное сооружение» проявляются в функционировании обратных связей между элементами системы. Целевая функ ция проектирования — разработка оптимальных и эконо мичных конструкторско-технологических решений, направ ленных на обеспечение безопасного и устойчивого функцио нирования подземного сооружения в пределах его жиз ненного цикла. Такая постановка вызывает необходимость итерационного обращения как к исходным данным о со
196