WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

 

На правах рукописи

ЛЕВЧЕНКО АЛЕКСАНДР НИКОЛАЕВИЧ

ОБОСНОВАНИЕ МЕТОДОЛОГИИ И РАЗРАБОТКА ИННОВАЦИОННЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ОСВОЕНИЯ

ПОДЗЕМНОГО ПРОСТРАНСТВА МЕГАПОЛИСОВ

Специальность: 25.00.22 – «Геотехнология»

(подземная, открытая и строительная)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Москва 2009

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Московский государственный горный  университет» на кафедре «Строительство подземных сооружений и шахт»

Научный консультант

доктор технических наук, профессор

Корчак Андрей Владимирович

Официальные оппоненты:

Иофис Моисей Абрамович,

доктор технических наук, профессор

Малкин Анатолий Степанович,

доктор технических наук, профессор

Корнилков Михаил Викторович,

доктор технических наук, профессор

Ведущая организация

Санкт-Петербургский государственный горный институт им. Г.В. Плеханова

(технический университет)

Защита состоится « »  2009 года в ____час. на заседании диссертационного совета Д 212.128.05 при Московском государственном горном университете по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский проспект, д. 6.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного горного университета

Автореферат разослан « »  2009 года

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор технических наук, профессор                                В.В. Мельник

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Составной частью глобальной научно-технической проблемы комплексного освоения недр Земли является освоение подземного пространства, связанное с многофункциональным использованием природных и техногенных полостей для размещения в них различных объектов жизнеобеспечения. Основополагающей идеей освоения подземного пространства является принцип его использования и сохранения как видоизменяемого георесурса.

Из общей проблемы освоения подземного пространства в качестве исключительно важного направления следует выделить освоение подземного пространства мегаполисов. Мировой опыт градостроительства свидетельствует о том, что решение широкого круга социально-экономических, архитектурно-планировочных и экологических проблем городов невозможно без планомерного и комплексного использования их подземного пространства.

Сегодня такое использование рассматривается уже не как один из возможных, а как безальтернативный вариант оптимального развития городов-мегаполисов. Важность и необходимость решения возникающих в связи с такой постановкой задач нашли отражение, в частности, в принятой Правительством Москвы «Концепции освоения подземного пространства и основных направлениях развития подземной урбанизации города Москвы» (2008 г.), в рамках которой предполагается ежегодно увеличивать объемы подземного строительства на 150 тыс. м2. К 2010 г. предстоит довести этот показатель с 700 тыс. до 1 млн. м2 в год, что составит около 15% от общего объема строительства.

Под землей планируется разместить до 70% всех гаражей, до 80% складских помещений, до 30% объектов сферы услуг, до 15% от общего объема строительства многофункциональных комплексов, а также 9 многофункциональных транспортных узлов, 43 транспортных тоннеля, 135 подземных переходов, 136 подземных автостоянок, объекты инженерной инфраструктуры обеспечения жизнедеятельности и объекты производственного назначения.

Анализ зарубежного опыта освоения подземного пространства мегаполисов показывает, что оптимальные условия для обеспечения устойчивого развития и комфортного проживания достигаются при доле подземных сооружений от общей площади вводимых объектов в 20-25%. В настоящее время этот показатель для г. Москвы составляет всего 8%.

Решение таких масштабных задач невозможно без дальнейшего развития и совершенствования законодательной и нормативной базы градостроительного и технического проектирования, разработки научно обоснованной методологии освоения подземного пространства, нового научного подхода к строительству подземных сооружений, трансформации фундаментальных научно-технических достижений и передового опыта в новые технологические процессы, используемые при освоении подземного пространства и  обеспечивающие максимальное сокращение экономических, технических, экологических и организационных рисков. При этом в основу указанной методологии должен быть положен системный подход, в соответствии с которым подземное пространство рассматривается как единая система, состоящая из совокупности взаимодействующих на основе соответствующих функциональных и паразитных связей природно-технических объектов, выполняющих общую задачу жизнеобеспечения города.

С точки зрения приоритетности решаемых подземной инфраструктурой города задач, а также уровня и вероятности потенциальных рисков к наиболее значимым подсистемам должны быть отнесены прежде всего подземные инженерные коммунальные сети – коллекторы тепло-, газо-, электросетей, водопровода, канализации и т.д.

В соответствии с изложенным обоснование методологии освоения подземного пространства, рассматриваемого как единая природно-техническая система жизнеобеспечения мегаполиса, а также разработка инновационных решений в области техники, технологии и организации работ, основанных на новых фундаментальных знаниях, доведенных до промышленного внедрения при строительстве инженерных коммунальных систем, являются актуальной научной проблемой, имеющей существенное значение для повышения эффективности и эксплуатационной надежности объектов подземного градостроительства.

В диссертационной работе такими инновационными техническими и технологическими решениями являются обделки коллекторных тоннелей (как приоритетных городских подземных сооружений) нового технического уровня и технологии их изготовления, обеспечивающие уровень надежности конструкций, недостижимый при частичном их совершенствовании.

Целью работы являются обоснование методологии и разработка инновационных технических решений на основе установления закономерностей формирования инфраструктуры подземного пространства мегаполисов, статической работы и надежности элементов новых конструкций обделок, анализа рискобезопасности технологических и организационных процессов строительства коммунальных тоннелей для повышения эксплуатационных качеств подземных сооружений, снижения материальных и трудовых затрат, что имеет важное значение в развитии экономики городского хозяйства и ускорении научно-технического прогресса при освоении  подземного пространства мегаполисов.

Для достижения поставленной цели необходимо:

  • проанализировать опыт освоения подземного пространства мегаполисов, уровень нормативно-правовой базы в области городского подземного строительства и на этом основании определить приоритетные направления, объекты и схемы освоения подземного пространства;
  • исследовать горно-геологические условия для выявления уровня их сложности и типизировать по степени благоприятности строительства;
  • составить карты степени благоприятности строительства на различных глубинах заложения подземных объектов; определить области  применения способов и методов подготовки массива, используя критерии оптимизации;
  • разработать математическую модель выбора способов и методов подготовки массива, что в совокупности с требованиями градостроительства составит научную основу для формирования оптимальной подземной инфраструктуры города;
  • разработать структурную модель устойчивого функционирования природно-технической геосистемы «подземное сооружение - окружающая среда», обеспечивающую внедрение инновационных технических решений при освоении подземного пространства мегаполисов;
  • проанализировать риски возникновения аварийных ситуаций при строительстве и эксплуатации подземных сооружений и определить «слабое звено» в технологиях подготовки массива, применяемых материалах и конструкциях;
  • разработать основополагающие принципы формирования системы нормативных документов для освоения подземного пространства г. Москвы;
  • исследовать закономерности статической работы высокоточных обделок коллекторных тоннелей, установить особенности формирования их напряженно-деформированного состояния в сравнении с типовыми обделками, разработать способы их защиты с помощью футеровок из новых долговечных материалов; разработать методику прогнозирования надежности и определения параметров обделки коммунальных тоннелей, а также оценить в сопоставлении надежность технических решений типовых и новых типов обделок;
  • разработать принципиально новую технологию изготовления блоков высокоточной обделки с полимерной футеровкой;
  • провести стендовые испытания новых обделок из высокоточных железобетонных блоков с полимерной футеровкой, обеспечивающих инфильтрационную надежность, коррозионную и абразивную стойкость;
  • провести экспериментальные исследования и опытно-промышленную проверку разработанных методологических принципов проектирования и технических решений для наиболее трудоемких технологических процессов на примере строительства кабельных и канализационных коллекторов.

Основная идея работы заключается в использовании концепции освоения подземного пространства мегаполисов, основанной на тесной  взаимоувязке с общим развитием городских территорий, и внедрении инновационных технологий, обеспечивающих качественно новый уровень строительства подземных сооружений.

Методы исследований. Для  решения поставленных задач использовались методы системного анализа, аналитические и экспериментальные методы исследований статической работы обделок коллекторов, методы математической статистики для прогнозирования надежности различных конструкций обделок, лабораторные и стендовые натурные эксперименты по оценке работоспособности высокоточных обделок, опытно-промышленная проверка полученных результатов.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Решающим фактором повышения эффективности освоения  и сохранения подземного пространства мегаполисов как видоизменяемого георесурса является планомерный и комплексный характер застройки пригодных для этого участков массива как в сложившейся части города, так и в развивающихся его районах, в функциональной и архитектурно-композиционной взаимосвязи с поверхностной планировкой застройки городских территорий.

2. Минимизация ущерба от последствий негативных проявлений природных, технических, экономических и организационных рисков является основным принципом обоснования и разработки инновационных решений городского подземного строительства, интегрированно учитывающим его особенности.

3. Эффективность проектирования строительства подземных сооружений и, в частности, формирования подземной инфраструктуры, определяется уровнем типизации как самих элементов единой сложной геосистемы "массив - технология - подземное сооружение - окружающая среда", так и их взаимосвязей, учитывающих изменение техногенных и антропогенных факторов, путем управления технологическими параметрами строительства, чем и обеспечивается устойчивое функционирование подземного сооружения на период всего жизненного цикла.

4. Представление подземного пространства как сложной активной и нелинейной системы требует применения различных методов контроля ее отдельных подсистем с учетом их возможного взаимовлияния в режиме непрерывного или дискретно-непрерывного мониторинга с целью сведения к минимуму возможных негативных проявлений и тем самым обеспечения основного принципа - минимизации ущерба.

5. Надежность инженерных конструкций подземных сооружений из разработанных высокоточных железобетонных элементов в 1,5 - 2,0 раза выше чем у типовых, что обеспечено формированием оптимального напряженно-деформированного состояния, при котором сечения их стыковых соединений, в отличие от типовых конструкций, не являются критичными по несущей способности. Доказано, что несущая способность конструкций может быть также увеличена за счет количества рабочей арматуры, преимущественно во внутреннем арматурном каркасе по сравнению с внешним каркасом (несимметричное армирование).

6. Применение разработанной футеровки, состоящей из полимерных композиционных материалов (ПКМ) и армированной стекловолокном, с высокими абразивными (на порядок выше, чем у обычных бетонов) и прочностными свойствами, обеспечивает повышение срока службы канализационных тоннелей более чем в 3 раза, сокращение стоимости строительства на 25%, снижение трудоемкости в 5 раз и сокращение сроков строительства в 4 раза.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:

-корректным использованием математических моделей, созданных на основе апробированных аналитических методов при составлении расчетных алгоритмов;

-использованием стандартных методик проведения лабораторных исследований на сертифицированных приборах и оборудовании;

-удовлетворительной сходимостью результатов аналитических исследований, лабораторных и производственных экспериментов;

-положительными результатами производственных испытаний и промышленным внедрением результатов исследований.

Научное значение и новизна работы заключаются в следующем:

1.Сформулирована концепция формирования и функционирования сложных природно-геотехнических систем, к которым относятся объекты городского подземного строительства, положенная в основу методологии строительства подземных сооружений с использованием гибких управляемых  технологических процессов, которая позволяет обеспечивать освоение и сохранение  подземного пространства как видоизменяемого георесурса.

2. Обоснован принцип устойчивого функционирования сложных природно-технических геосистем, базирующийся на динамической взаимосвязи всех элементов, обеспечивающий проектирование и строительство подземных сооружений в соответствии с функциональным назначением, техническими, экономическими и др. требованиями и позволяющий прогнозировать условия развития на период всего жизненного цикла подземного сооружения.

3. Разработана классификация функциональных, горно-технологических, экономических и антропогенных критериев для обоснования конструктивных  и технологических решений по проектированию и строительству подземных сооружений, учитывающих снижение капитальных вложений, сохранение окружающей среды, устойчивость функционирования подземного сооружения, а также конкурентоспособность на мировом рынке технологий.

4. Показано, что инженерно-геологическое районирование верхней части земной коры московского мегаполиса с учетом геоморфологических, геологических, гидрогеологических и техногенных особенностей массивов горных пород позволяет выполнить проектирование строительства подземных сооружений при минимальных объемах инженерно-геологических изысканий.

5. Разработана методика оценки рисков возникновения аварийных ситуаций при строительстве и эксплуатации подземных сооружений, включающая возможность учета функциональных, технических, экологических и экономических требований.

6. Установлено, что применяемые комбинированные обделки коллекторных тоннелей из трапециевидных блоков с внутренней железобетонной рубашкой отличаются низкой несущей способностью по фактору прочности стыков между блоками. Увеличение количества арматуры в блоках практически не увеличивает несущей способности обделки, что свидетельствует о необходимости ее конструктивных изменений.

7. Установлены принципиальные отличия статической работы обделок из высокоточных блоков в сравнении с типовыми, дана прогнозная оценка повышения показателя их надежности и экономической эффективности.

8. Показано, что повышение эксплуатационной надежности, герметичности и долговечности кабельных и канализационных коллекторов при снижении эксплуатационных затрат обеспечивается научно обоснованными параметрами обделки нового технического уровня из высокоточных железобетонных блоков, изготовленных из тяжелых бетонов по прочности на сжатие В45, по водонепроницаемости W12, морозостойкости не ниже F100, армированных поперечными плоскими каркасами и гнутыми стержнями, объединенными в объемные пространственные каркасы, позволяющими достичь экономии металла до 30%, при высокой несущей способности блоков, допускающей минимальные отклонения при их сборке в тоннелях от проектных параметров.

Практическое значение исследований:

1. Разработан проект нормативного документа «Система нормативных документов в подземном строительстве. Основные положения», определяющего цели, принципы и задачи нормативной деятельности, а также общую структуру системы нормативных документов в подземном строительстве.

2. Разработана методология геолого-технологического районирования и зонирования территории Москвы, которая позволила определить степень пригодности участков для подземного строительства объектов различного назначения в зависимости от глубины их заложения, типа вмещающих пород, степени обводненности массива с точки зрения технических возможностей, экономических и экологических последствий принимаемых решений.

3. Разработаны классификации горно-геологических условий с соответствующими им методами подготовки и способами воздействия на массив горных пород, а также критериев оценки эффективности функционирования сложных природно-технических систем, которые позволяют на стадии проектирования строительства подземных сооружений прогнозировать последствия техногенных воздействий и определять эффективные технические решения.

4. Разработаны расчетно-аналитические алгоритмы оптимизации параметров многослойных (комбинированных) обделок городских коммунальных коллекторов, которые доведены до инженерных расчетов и ведомственных нормативных документов, повышающих обоснованность и надежность проектирования.

5. Разработаны обделки нового технического уровня на основе комплексного учета функциональных, технических, экологических и экономических требований, основанных на результатах фундаментальных научных исследований,  превосходящие по показателям несущей способности, технологичности изготовления, эксплуатационной надежности и долговечности все прежние аналоги.

6. Разработана технология строительства коммунальных коллекторов с применением высокоточных железобетонных блоков без возведения вторичной обделки («рубашки»).

Реализация результатов работы. Результаты исследований приняты к использованию в ГУП «Мосинжпроект» и в ООО «Институт «Каналстройпроект» в качестве составной части проектных разработок магистральных кабельных и канализационных  тоннелей в условиях аварийного напорного режима сточных вод в виде «Временных рекомендаций по расчетному прогнозированию конструктивной надежности комбинированных обделок проектируемых магистральных канализационных тоннелей» (2003 г.), «Временных рекомендаций по расчетному прогнозированию конструктивной надежности комбинированных и высокоточных обделок кабельных и канализационных коллекторов» (2008 г.), вошли в «Руководство по применению микротоннелепроходческих комплексов и технологий микротоннелирования при строительстве подземных сооружений и прокладке коммуникаций закрытым способом» (2004 г.), в «Концепцию освоения подземного пространства и основные направления развития подземной урбанизации города Москвы» (2007 г.), в «Концепцию формирования нормативных документов по освоению подземного пространства г. Москвы» (2008 г.).

Разработанная новая технология изготовления высокоточных блоков с полимерной футеровкой защищена двумя патентами (2007, 2008 гг.).

Технология производства блочной обделки из высокоточных железобетонных блоков, в том числе с полимерной футеровкой для строительства кабельных и канализационных коллекторов впервые внедрена в производство в Российской Федерации в ОАО «Моспромжелезобетон». По состоянию на 31.05.2009 г. изготовлено более 47000 блоков для кабельных тоннелей и впервые в мировой  практике изготовлено 3000 блоков с полимерной футеровкой.

Технология строительства коллекторов с применением высокоточных железобетонных блоков без возведения вторичной обделки («рубашки») впервые внедрена в отечественной практике на предприятиях ОАО «СУПР», ООО «Инжстрой-Сити-монолит», ЗАО «Термосервис» и в ООО «Спецстрой-Инженеринг». По состоянию на 31.05.2009 г. успешно пройдено за два года более 8,0 км кабельных и канализационных тоннелей в г. Москве. Впервые в мировой практике начато строительство опытного участка Царицынского канализационного коллектора с применением блоков с полимерной футеровкой.

Апробация работы. Основные результаты работы, отдельные положения и разделы диссертации докладывались и получили одобрение на Международной конференции «Проблемы освоения подземного пространства» (Тула, 2000 г.), Международной научно-практической конференции «Подземный город-2004» (Москва), Международной научно-практической конференции «Проблемы подземного строительства в XXI веке» (Тула, 2004 г.), Китайско-Российском научно-техническом симпозиуме, КНР (Пекин, 2005 г.), VI Всероссийском симпозиуме по прикладной и промышленной математике (Санкт-Петербург, 2005 г.), Международной научно-технической конференции «Технологии, оборудование, материалы, нормативное обеспечение и мониторинг для тоннельного строительства и подземных частей высотных зданий» (Москва, 2006 г.), Международной научно-практической конференции «Освоение подземного пространства городов: преодоление сложных геологиче­ских и градостроительных условий» (Москва, 2007 г.), Международной научно-практической конференции «Передовые технологии, оборудование и методы инженерно-геологических и геофизических изысканий и исследований при строительстве подземных сооружений» (Москва, 2007 г.), Международной конференции «Особенности освоения подземного пространства и подземной урбанизации в крупных городах-мегаполисах» (Москва, 2008 г.), на заседаниях Круглого стола «Научные проблемы освоения подземного пространства г. Москвы» научного симпозиума «Неделя горняка», МГГУ- УРАН ИПКОН (Москва, 2003-2009 гг.).

Публикации. По теме диссертации лично и в соавторстве опубликованы 54 работы, в том числе 5 монографий, 13 статей в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России, 3 отраслевых руководства, получены 2 положительных решения Роспатента по заявкам на изобретения.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы из 225 наименований, содержит 55 рисунков и 54 таблицы.

Характер работы требовал привлечения, систематизации и интеграции знаний из самых различных областей научных исследований. В частности, при работе над диссертацией автор опирался на результаты фундаментальных и прикладных исследований в области: комплексного освоения недр (М.И. Агошков, К.Н. Трубецкой, Н.Н. Мельников, В.В. Ржевский, Е.И. Шемякин, Д.Р. Каплунов, Н.Н. Чаплыгин, Б.А. Картозия, М.А. Иофис, Е.В. Петренко, А.С. Малкин, У. Кельми, З. Бенявский, С. Фриш и др.), исследований сложных природно-технических систем (В.К. Епишин, В.А. Королев, А.В. Корчак, Е.Ю. Куликова, А.Л. Ревзон, Г.К. Боднарик, Л.А. Ярг, М.С. Голицын, В.Н. Островский и др.), моделирования сложных систем, системного и структурного анализа, концептуального проектирования (В.Н. Бусленко, Р. Акофф, М. Месарович, М.А. Садовский, Я. Дитрих, Н.Г. Лихогруд, В.В Штабенко, А.И. Половинкин, В.В. Попов, В.А. Горбатов, и др.), проектирования и строительства подземных сооружений (Н.М. Покровский, В.Л. Попов, В.М. Мостков, В.П. Волков, С.Н.Наумов, Д.М. Голицинский, В.Г. Храпов, Б.И. Федунец, Л.В. Маковский, М.Н. Шуплик, В.Е. Меркин, И.Я. Дорман, В.А. Гарбер, В.И. Смирнов, А.Н. Панкратенко и др.), исследований напряженно-деформированного состояния породных массивов, вмещающих подземные сооружения, и расчетов крепи (К.А. Ардашев, Б.З. Амусин, И.В. Баклашов, Н.С. Булычев, 3. Бенявский, В.В. Виноградов, В.Т. Глушко, М.Н. Гелескул, Д. Дир, Л.А. Джапаридзе, Ю.З. Заславский, Б.А. Картозия, В.Н. Каретников, Э.В. Казакевич, Ю.М. Либерман, Г.Г. Литвинский, Р. Мюллер, А.Г. Протосеня, Г.С. Франкевич, Н.Н. Фотиева, И.Л. Черняк и др.)

В ходе подготовки работы автор обсуждал промежуточные результаты и перспективы исследований с рядом ведущих специалистов в области методологии освоения подземного пространства крупных городов, управления состоянием массива, математических методов моделирования в горном деле, физико-технического геоконтроля. Такие контакты способствовали формированию взглядов автора в выбранной области исследований, за что автор искренне благодарен научному консультанту А.В. Корчаку, Б.А. Картозия, И.В. Баклашову, В.Л. Шкуратнику, Б.И. Федунцу, С.А. Мельниковой, О.Н. Павлову и многим другим. Автор благодарен коллективу кафедры и лаборатории "Строительства подземных сооружений и шахт" МГГУ, а также работникам ГУП «Мосинжпроект», ООО «Институт «Каналстройпроект», НПО «Космос», ОАО «СУПР», помогавшим в работе на различных этапах исследований.

Основное содержание работы

Об актуальности проблемы освоения подземного пространства крупных городов свидетельствует широкое обсуждение ее в книгах и статьях видных ученых, на заседаниях РАН, на конференциях в России, на международных конгрессах, конференциях и симпозиумах. Вопросы освоения подземного пространства мегаполисов освещаются в работах ведущих ученых и специалистов в области горных наук, подземного строительства и геомеханики: Е.И. Шемякина, Н.Н. Мельникова, В.И. Осипова, А.Д. Рубана, Н.С. Булычева, В.И. Бородина, М.А. Иофиса, А.Г. Беляева, С.Н. Власова, В.А. Гарбера, Д.М. Голицынского, Г.Е. Голубева, Ю.Д. Дядькина, М.Г. Зерцалова, А.Ф. Зильберборда, В.А. Ильичева, Б.А. Картозия, И.В. Баклашова, А.В. Корчака, М.В. Корнилкова, К.Ю. Королевского, Д.С. Конюхова, А.Р. Калинина, М.М. Любимова, В.Г. Лернера, Л.В. Маковского, В.Е. Меркина, А.С. Миллермана, Е.В. Петренко, А.Г. Протосени, Б.Д. Половова, М.М. Папернова, В.В Поддубного, В.И. Ресина, М.С. Рудяка, А.А. Сегетдинова, В.П. Самойлова, В.А. Умнова, Б.И. Федунца, А.В. Харченко, В.З. Черняка, П.Ф. Швецова, В. Дитца, К. Беккера, Р. Стерлинга, Д. Кармоди, Д. Лемли, Р. Майера, Д. Пирса и др.

Освоение  подземного пространства, помимо повышения эффективности использования недр за счет создания в пригодных для этого участках массива горных пород подземных объектов, а также возможности их использования в новом функциональном качестве и сохранения экологической чистоты, позволяет:

  1. исключить негативное влияние на эксплуатацию подземного объекта погодных и климатических условий;
  2. обеспечить безопасность при всех видах внешних воздействий (стихийных, техногенных и диверсионных);
  3. сохранить городские ландшафты, представляющие культурно-историческую ценность;
  4. уменьшить отрицательное воздействие потенциально опасных производств;
  5. уменьшить затраты энергии на отопление и охлаждение помещений;
  6. повысить степень безопасности движения транспорта и пешеходов;
  7. повысить уровень комфортности и безопасности жизнедеятельности человека.

Важная особенность подземного пространства города - его скрытость. Это качество может быть использовано в целях национальной безопасности, а также преодоления недостатков и эстетической непривлекательности отдельных видов технологического промышленного оборудования.

В первой главе диссертации  обосновывается необходимость планомерного, рационального и комплексного освоения подземного пространства на основе анализа закономерностей формирования подземной инфраструктуры городов с использованием современного информационного обеспечения для принимаемых технических и технологических решений, основанных на внедрении инновационных технологий.

Особенность предлагаемого подхода состоит в принципиально ином понимании проблемы освоения подземного пространства города, которое рассматривается не как разовое (по существу, бессистемное) строительство отдельных, пусть даже уникальных подземных сооружений, а как комплексная  застройка пригодных для этого участков массива как в сложившейся части города, так и в развивающихся его районах, в функциональной и архитектурно-композиционной взаимосвязи с поверхностной планировкой и застройкой.

Комплексное использование подземного пространства необходимо для городов всех категорий, разница заключается лишь в номенклатуре и количестве сооружений, которые целесообразно размещать ниже земной поверхности с точки зрения капитальных вложений, экологического и социально-экономического эффекта.

В работе систематизированы основные факторы, влияющие на размещение создаваемых в подземном пространстве объектов, а именно: параметры города (площадь, протяженность, высотность и др.); зонирование его инфраструктуры; рельеф местности, природные, геологические и гидрогеологические условия; функциональное назначение различных зон (селитьба, промышленные и другие внеселитебные зоны); характер застройки.

Стратегия освоения подземного пространства (ОПП) - это научно обоснованное планирование его развития на  перспективу, основанное на принятии решений о выборе приоритетных направлений в освоении подземного пространства, обеспечивающих в совокупности достижение максимального эффекта. К числу таких решений относятся: определение номенклатуры приоритетных подземных объектов; выбор места и времени (очередности) строительства объектов, способов подготовки массива и технологии собственно строительства.

В работе определены следующие приоритетные направления развития подземных систем по их функциональному назначению:

  • системы жизнеобеспечения города (инженерные коммуникации различного назначения и их инфраструктура);
  • системы передвижения населения и грузов (транспорт и его инфраструктура);
  • системы организации торговли и их инфраструктура (торговые центры, склады, хранилища).

При выборе стратегии ОПП необходимо учитывать степень его насыщения (урбанизации) функционирующими или законсервированными подземными сооружениями, которая регламентирует возможность дополнительного размещения новых объектов в заданном участке.

В зависимости от степени урбанизации подземного пространства следует различать два вида его освоения: «точечное», когда новый объект приходится размещать рядом с существующими в условиях плотной городской застройки, и комплексное, когда можно спланировать размещение всех предполагаемых к строительству в данном участке объектов как подземных, так и наземных.

В работе выделены два аспекта целесообразности  ОПП: социально-функциональный и градостроительный.

Для социально-функционального аспекта главными являются два показателя: первый - это социальные удобства, при которых повышается интенсивность использования подземного пространства, второй - функциональное удобство проживания, выраженное в экономии непроизводительных затрат времени, сил и средств населения.

Градостроительный аспект должен включать в себя требования к экономии городской территории и сохранности сложившегося характера застройки.

Место и роль подземной  инфраструктуры определяются той спецификой, которая присуща объектам, размещаемым в подземном пространстве:

  • необходимость строительства подземных сооружений рассматривается только в том случае, когда потребность в объектах данного назначения значительно превышает возможность обустройства их в наземном варианте;
  • при строительстве и эксплуатации подземного сооружения следует обеспечить его органичное взаимодействие со всеми объектами наземной инфраструктуры при сохранении архитектурного облика города;
  • подземные объекты необходимо размещать в максимальном приближении к месту, где в них испытывается потребность;
  • учитывать специфическую особенность среды строительства в мегаполисе, которая является уже не природной, а природно-техногенной.

Стратегическими направлениями в решении задач по улучшению уровня комфортности жизни людей, экологии, созданию новой среды обитания следует считать: обеспечение города инженерными коммуникациями; улучшение транспортного обслуживания; вывод промышленных предприятий и коммунально-складских объектов из центра города; строительство культурно-оздоровительных центров и зон отдыха в округах.

Уровень комфортности жизни в условиях мегаполиса целиком зависит от работы коммунальных систем, важным звеном которых являются подземные инженерные коммуникации, различающиеся по функциональному назначению:  использующие водные ресурсы (водоснабжение и канализация); энергетические ресурсы (электроснабжение, теплоснабжение, газоснабжение, сети слабого тока - телефонные, интернет, радиовещания и др.); транспортные.

В работе рассматриваются проблемы, связанные с  проектированием, строительством и эксплуатацией кабельных и канализационных коллекторов.

Поскольку основной причиной выхода из строя коллектора является разрушение его обделки, актуальным является модернизация существующих и создание новых типов обделки.

Вторая глава диссертации посвящена разработке структурной модели и  обоснованию принципов устойчивого функционирования сложных природно-технических геосистем, к которым относятся все подземные сооружения, основанных на динамической взаимосвязи всех элементов, обеспечивающих проектирование и строительство подземных сооружений в соответствии с функциональным назначением, техническими, экономическими и др. требованиями и позволяющих прогнозировать условия развития на период всего жизненного цикла подземного сооружения.

На всех этапах функционирования городских подземных сооружений возникает сложная взаимосвязь между строительными, технологическими, эксплуатационными и экологическими факторами, предопределяющими возможность возникновения и характер рисковой ситуации. В этой связи в работе определены группы  взаимовлияющих компонентов, в которые включены  природные,  технологические, технические, экономические, организационные факторы, обусловливающие нормальное функционирование подземного сооружения на всех этапах его жизненного цикла.

Строительная геотехнология - базовая наука для практического решения проблемы освоения подземного пространства мегаполисов, которая  исследует комбинации объективных законов природы применительно к искусственно создаваемым природно-техническим системам «подземное сооружение - окружающая среда».

В диссертационной работе под природно-технической геосистемой  (ПТГС) понимается совокупность взаимодействующих природных и техногенных подсистем (рис.1).

Техногенная подсистема включает собственно подземное сооружение ПС (блок В), технологию его возведения и эксплуатации Т (блок Б). Природная подсистема включает окружающий подземное сооружение породный массив ПМ (блок А) и окружающую среду ОС (блок Г), которая отражает тектонико-геологические, орографические, гидрогеологические и биологические особенности взаимодействия. В компонент «окружающая среда»  входит геологическая среда (ГС) и среда обитания человека (СО) выше земной поверхности, под которой расположено подземное сооружение. Эта среда также оказывает существенное влияние на строительство и эксплуатацию подземного объекта (нагрузки от зданий и сооружений, расположенных на поверхности, климатические условия, динамические нагрузки от транспорта и т.д.). Все блоки системы взаимосвязаны и постоянно взаимодействуют между собой.

Эта система относится к разряду динамических как вследствие постоянного изменения свойств и состояния ее элементов, так и из-за характера взаимодействия между ними.

Блок А (ПМ) формирует исходную информацию по вмещающему массиву и предопределяет требования к технологии строительства подземного сооружения.

Рис. 1. Взаимодействие элементов природно-технической геосистемы

«массив-технология-подземное сооружение-окружающая среда»

В данной системе под окружающим подземное сооружение породным массивом следует понимать ту часть горных пород, которая непосредственно взаимодействует с ним и оказывает влияние на выбор технологии строительства и устойчивость подземного сооружения.

Блок В (ПС) включает характеристики, описывающие функциональное назначение подземного сооружения в решаемой задаче и формирует требования к характеристикам вмещающего породного массива.

Блок Б (Т) описывает варианты технологических решений, которые могут быть использованы для удовлетворения требований блоков А и В.

В период строительства и эксплуатации на взаимодействие подземного сооружения  и породного массива существенное влияние оказывает технология строительства. Причем технология во многом определяет характер взаимодействия подземного сооружения и окружающего его породного массива на период всего жизненного цикла подземного сооружения.

Анализируя функционирование системы и характеризуя блок Б, нужно иметь в виду, что на различных этапах жизненного цикла подземного сооружения блок Б несет различную смысловую и функциональную нагрузку. На этапах проектирования и строительства подземного сооружения блок Б - это технология строительства, по завершении этих этапов блок Б -  технология эксплуатации подземного сооружения.

Подобное разделение блока Б обусловлено различным характером функционирования подземного сооружения и проявлением экологического эффекта на разных этапах жизненного цикла подземного объекта. Проявления природных и техногенных факторов в строящихся и эксплуатируемых подземных сооружениях во многом аналогичны, но обладают и особенностями, характерными для различных видов производства работ. На этапе строительства взаимное влияние природно-техногенных факторов носит характер внезапности и неожиданности, на этапе эксплуатации - это следствие длительных процессов разрушения и деформирования конструкций (за исключением таких видов проявлений, как пожары и взрывы).

Негативный экологический эффект на этапе эксплуатации подземного сооружения может проявиться только в том случае, если характер взаимодействия природных и техногенных факторов, возникающих при строительстве подземного сооружения, был оценен неверно или ряд факторов не был полностью учтен на этапе изысканий и проектирования.

Окружающая среда (блок Г) непосредственным образом влияет на формируемую систему АБВ в целом и на каждый из ее компонентов в отдельности. При этом основным элементом окружающей среды, испытывающим динамические изменения от функционирования системы «массив-технология-подземное сооружение-окружающая среда», является массив горных пород, вмещающий подземное сооружение.  Через породный массив это влияние передается и на другие компоненты природной экосистемы. Таким образом, окружающая среда также испытывает влияние со стороны формируемой системы.

Кроме этого, блок Г рассматривает устойчивость функционирования системы с экологических позиций с учетом взаимодействия ПТГС и человека. Качественные и количественные характеристики фактического взаимодействия подземного сооружения с окружающей средой могут быть определены лишь на стадии эксплуатации подземного сооружения посредством различных методов контроля.

Следует учитывать, что породный массив, активно участвующий во взаимодействии с подземным сооружением, в реальных условиях не имеет «закрытых» границ и является структурной частью иерархии более сложной и крупномасштабной «внешней» части массива. Причем в условиях интенсивного освоения подземного пространства свойства и состояние этой (внешней) части геосреды постоянно изменяются. Это в свою очередь является еще одним фактором, влияющим на неоднородность, недетерминированность и нелинейность реакции среды даже на локальное внедрение в подземное пространство.

При современных масштабах освоения подземного пространства любой создаваемый на этом пространстве подземный  объект не может рассматриваться изолированно от других подобных объектов. Их взаимное влияние может многократно усиливать аномалии в поведении вмещающей геологической среды и ее взаимодействии с объектами подземного строительства, что в свою очередь порождает проблемы охраны этой среды с тем, чтобы она могла выполнять свою специфическую экологическую роль. Таким образом, можно утверждать, что используемая в течение длительного времени в практике инженерно-геологических изысканий городских территорий модель геосреды, предполагающая однородность, непрерывность, линейность и неизменность ее свойств во времени, себя исчерпала. Так же, как исчерпали себя подходы, при которых геосреда считается пассивной, протекающие в ней геофизические процессы линейны, геофизические поля природного и техногенного происхождения не взаимодействуют между собой. Все более очевидным становится, что геосреда в верхней части геологического разреза, где и осуществляется подземное строительство, иерархически неоднородна, нелинейна по физическим свойствам и характеру протекающих в ней процессов, изменчива во времени и в пространстве, активна и пронизана геофизическими полями различной природы, которые взаимодействуют между собой. При этом не следует забывать и специфические условия верхней части геологического разреза, для которого характерны значительная вертикальная и горизонтальная изменчивость свойств пород и их анизотропия.

Принципиальная особенность инженерно-геологических условий освоения подземного пространства мегаполисов заключается в том, что значительная часть этого пространства представляет собой толщу техногенных грунтов мощностью до нескольких десятков метров. Этот слой имеет чрезвычайно сложный состав и структуру. Кроме того, в силу значительной пространственно-временной изменчивости структуры, свойств и состояния техногенных отложений их изучение и прогнозирование поведения традиционными инженерно-геологическими методами малоэффективно.

Одним из важнейших факторов, влияющих на состояние геологической среды в зонах подземного строительства, является постоянное воздействие сейсмических и вибрационных полей с относительно небольшой амплитудой, но при этом широкого частотного диапазона. Указанные поля имеют как естественную, так и техногенную природу. Как следствие, в этих зонах усиливается деформирование грунтов,  активизируются процессы их оседания и потери устойчивости. Особую опасность и во многом непредсказуемость поведения геологической среды, где ведется подземное строительство, приходится ожидать в тех случаях, когда воздействия на нее сочетают динамическую (вибрационную) и статическую (связанную с высоким напряженным состоянием) составляющие.

Отмеченные выше особенности геологической среды в зонах интенсивного подземного строительства можно свести к трем главным сущностям: сложности, активности и нелинейности. Причем нелинейность с полным основанием может быть отнесена и к природно-техническим геосистемам (ПТГС) в целом.

Интенсивно осваиваемое подземное пространство городов может рассматриваться как совокупность различных по масштабам и назначению сложных природно-технических геосистем, взаимодействующих друг с другом через внешнюю среду. Причем уровень этого взаимодействия постоянно возрастает, поскольку с ростом числа и объемов геосистем та часть внешней среды, которая разделяет отдельные геосистемы и призвана играть роль своеобразных экологических экранов, постоянно уменьшается. Как следствие, при оценке и прогнозе рисков возникновения нештатных ситуаций, аварий и катастроф в любой из геосистем должны учитываться соответствующие риски и в других геосистемах.

Таким образом, с позиций безопасности или рисков освоения подземного пространства мегаполисов в работе это пространство рассматривается как единая сложная природно-техническая геосистема. Отдельные подсистемы такой ПТГС не связаны между собой жесткими функциональными связями и единой целевой функцией (как у традиционных сложных систем), но все же функционируют не изолированно друг от друга, а во взаимодействии между собой, пусть и не через специально организованные, а паразитные связи.

С учетом изложенного в работе ставится вопрос о номенклатуре, количестве и очередности строительства подземных объектов, о технически, технологически, экономически и экологически обоснованных пределах освоения подземного пространства мегаполиса в различных его районах.

Анализ опыта строительства подземных сооружений показал, что несмотря на их многообразие, для всех характерно наличие следующих регламентирующих признаков: функциональное назначение; глубина заложения; объемно-планировочные решения; условия строительства; параметры обделки; срок службы; ремонтопригодность и увязка с наземной и подземной инфраструктурой.

Уникальность каждого подземного сооружения определяется  индивидуальным содержанием совокупности признаков, характеризующих каждое из них.

Надежную работу подземного сооружения гарантирует принятие оптимальных инженерно-технических решений, найденных для каждого основного признака с учетом взаимосвязей как между ними, так и с породным массивом.

Породный массив как сложная природная среда предоставляет многокомпонентную систему и рассматривается как система взаимосвязей фазовых состояний, причем эти взаимосвязи отражают многообразие причинно-следственных факторов природных, техногенных и антропогенных воздействий.

Основой построения таких взаимосвязей являются выявленные возмущения в природной среде, которые являются реакциями массива на технологические воздействия в реальном масштабе времени. В процессе проектирования учет этих взаимодействий реализуется путем включения в проектируемые технологии специальных мероприятий, направленных на снижение этого воздействия и обеспечивающих безопасность строительства и эксплуатации подземного сооружения.

По характеру проявления сложности и характеристике породного массива определяется тип сложных условий. В работе дана характеристика трех типов сложных горно-геологических условий, характерных для подземного строительства в Москве (сложные гидрогеологические условия, сложные геомеханические условия, сложные геоурбанизированные условия). Обосновано, что для выбора оптимального варианта условий строительства необходимо иметь данные районирования территории Москвы по степени пригодности для  подземного строительства по всем рассмотренным типам сложных условий.

Определение типа сложных условий позволяет отобрать конкурентоспособные способы воздействия на массив и технологии строительства подземных сооружений, обеспечивающие экономические  и технические преимущества, а также безопасность и комфортность условий труда.

В работе проанализированы все существующие методы и способы подготовки массива для создания условий ведения горнопроходческих  работ при строительстве подземного сооружения и проведена классификация критериев оценки эффективности функционирования ПТГС в сложных гидрогеологических условиях.

Основная сложность заключается в том, что непрерывно в породном массиве протекают процессы с изменениями от техногенного и антропогенного воздействия и на всех этапах проектирования необходимо уточнять исходные данные. При этом возникает проблема с множественностью задач выбора, а также с тем, что каждая ситуация выбора может реализовываться в качественно различных вариантах, а именно:

  1.   множество альтернатив в информационном поле выбора может быть очень большим;
  2.   выбор оптимального варианта может осуществляться по одному или нескольким критериям, которые в свою очередь могут иметь как качественный, так и количественный характер;
  3. механизм выбора может быть однократным или повторяющимся;
  4. последствия выбора могут быть точно известны (выбор в условиях определенности), иметь вероятностный характер (выбор в условиях риска) или иметь неоднозначный исход, не допускающий введения вероятностей (выбор в условиях неопределенности).

Различные сочетания перечисленных вариантов приводят к многообразным задачам выбора, которые решаются при принятии управляющего решения в геосистеме.

В работе рассматривается методология принятия решения, когда каждую отдельно взятую альтернативу можно оценить определенным числом и сравнение альтернатив сводится к сравнению соответствующих им чисел.

Третья глава диссертации посвящена разработке геолого-технологического районирования и зонирования территории Москвы с прогнозированием пригодности участков для строительства подземных сооружений различного назначения.

Освоение подземного пространства городов тесно связано с необходимостью проведения детальных инженерно-геологических изысканий, поскольку информация о геологическом строении определяет выбор участка строительства и технологию ведения подземных работ. Поэтому целью исследований, изложенных в третьей главе, является районирование территории Москвы с учетом урбанизации ландшафта и геоморфологии по степени благоприятности условий строительства как по площади, так и на различных уровнях подземного пространства.

Для решения этой задачи были проанализированы данные о геологическом строении массива горных пород на территории г. Москвы и выделены районы со сложными гидрогеологическими условиями, обоснован выбор критериев и типизированы условия благоприятности строительства, проведено районирование каждого типа условий благоприятности строительства на различных глубинах.

При изучении участков земной коры были выделены структурные этажи. 

Основой для их выделения явились: условия залегания пород; состав пород; степень их литификации; наличие разрывной тектоники и проявления магматизма. Характеристики этажей определялись стадией геологического развития участка земли.

Общим для каждой тектонической единицы являлось наличие покрывающего верхнего слоя структурного этажа, состоящего из нелитифицированных осадочных пород, и нижнего подстилающего структурного этажа, представленного магматическими и метаморфическими породами.

В работе приводится характеристика первого и второго структурных этажей, в уровнях которых и будет осуществляться освоение подземного пространства города Москвы.

Учитывались геологические факторы, которые предопределяют выбор технологии строительства подземных сооружений:

  • мощность рыхлых техногенных отложений, песчаных и глинистых пород;
  • степень обводненности рыхлых отложений (первый структурный этаж);
  • отметки залегания пластов глинистых пород (водоупоров) и зеркала грунтовых вод;
  • содержание раздельно-зернистых пород в толще рыхлых отложений;
  • содержание карбонатных пород во втором структурном этаже твердых и полутвердых пород;
  • наличие во втором структурном этаже песков и песков-плывунов;

-  петрографический и минеральный состав второго структурного этажа; мощность пластов литотипов, входящих в его состав.

В работе установлено, что при проектировании подземных сооружений в толще первого структурного этажа следует учитывать тот факт, что строительство будет осуществляться в самых разных породах (техногенных отложениях, песках, супесях, песчаниках, суглинках, глинах). Полученные значения градиентов залегания глинистых пород позволили спрогнозировать протяженность участков, на которых возможно полное изменение литологии пород в забое выработки, и принять необходимые технологические решения.

Второй структурный этаж на территории Москвы состоит из полутвердых и твердых пород - известняков, песчаников, аргиллитов, алевролитов, плотных глин, сланцев и т.п. По тектоническим условиям и составу пород в этом структурном этаже могут быть выделены массивы платформенного, геосинклинального, промежуточного и горно-складчатого типов.

Установлено, что практически вся мощность второго структурного этажа находится в условиях обводненности.

Разработанные принципы геолого-технологического районирования и зонирования территории Москвы включают:

  1. определение вариантов литотипов пород, в которых возможно строительство подземных сооружений;
  2. составление поинтервальных разрезов в определенных точках территории города с фиксацией полученных схем взаимодействия литотипов горного массива с параметрами подземного сооружения;
  3. анализ полученных схем, с точки зрения использования существующих методов подготовки массива, и способов строительства подземных сооружений;
  4. разработку системы привязки точек, в которых характеризуются по глубине геолого-технологические условия строительства подземных сооружений;
  5. сбор и анализ информации об инженерно-геологических свойствах пород и их обводнённости.

На основании анализа семнадцати типов массива выделены три типа территорий, характеризующихся разной степенью пригодности для подземного строительства в Москве (рис.2).

Все типы горно-геологических условий разделены по основному признаку - стоимости комплекса мероприятий по борьбе с водой в период строительства и эксплуатации. Так, для первой группы она составляет до 30% стоимости возводимых сооружений, для второй – от 30 до 50%, для третьей – более 50%.

I тип территории на глубине до 10-15 м приурочен к участкам моренных возвышенностей, моренно-флювиогляциальных равнин, первой и второй пойменных террас р. Москвы с глубиной залегания грунтовых вод более 10м.

По величине параметров мульды оседания или призмы обрушения рекомендуется рассматривать три подтипа территории: I', I", I'".

Подтип I' - породы представлены преимущественно моренными суглинками мощностью 10 - 20 м, в основании сооружений - суглинки или пески.

Подтип I" - породы представлены песками мощностью 5-6 м, которые подстилаются суглинками мощностью 10-16 м.

Пески крупнозернистые, различной плотности, с прослоями супесей, суглинков, песков рыхлого сложения.

Суглинки - с прослоями песков, с включениями валунов.

Подтип I'" - породы представлены преимущественно песками различной зернистости и плотности, определяющими их прочностные показатели. Характерно наличие прослоев песков рыхлого сложения, линз иловатых супесей и суглинков. Мощность песков 10 - 20 м. Пески повсеместно подстилаются глинами и суглинками.

II тип территорий на глубине 10-15 м приурочен к участкам моренных возвышенностей, флювиогляциальных равнин, долинному комплексу р. Москвы и ее притоков с глубиной залегания грунтовых вод до 10 м, а также зонам, потенциально опасным по возможности проявления карстово-суффозионных явлений.

Рис. 2. Геолого-технологическое районирование территории Москвы:

I - территории, наиболее благоприятные для подземного строительства;

II - умеренно благоприятные для подземного строительства территории;

III - территории, неблагоприятные для подземного строительства.

Подтип II' - породы представлены моренными суглинками мощностью до 10 м, которые подстилаются обводненными песками.

Подтип II" - породы представлены обводненными песками мощностью 10-16 м.

Подтип II'" - породы представлены преимущественно крупнозернистыми песками с подчиненными прослоями суглинков, супесей, иловатых разностей при потенциально опасной возможности проявления карстово-суффозионных процессов с глубиной залегания грунтовых вод более 10 м. Мощность песков - от 10 до 30 м.

III тип территорий приурочен к долинному комплексу р.Москвы и р.Яузы, к зоне, где возможно проявление карстово-суффозионных процессов.

В зависимости от глубины залегания грунтовых вод, наличия в толще прослоя суглинков рекомендуется рассматривать три подтипа территорий- III', III", III'". Это самый неблагоприятный тип территорий для подземного строительства, характеризующийся разнозернистыми водонасыщенными песками, отсутствием водоупорных глин и наличием гидравлической связи отдельных водоносных горизонтов.

Для каждого конкретного типа и подтипа территорий определены возможные негативные процессы в период строительства подземных сооружений (активизация карстово-суффозионных процессов при нарушении существующего гидрогеологического режима, прорывы воды, плывунов и др.), а также методы  подготовки и способы воздействия на массив горных пород, вмещающий подземное сооружение. Надежную работу подземного объекта гарантирует принятие оптимальных инженерных решений, найденных для всех основных признаков (тип сооружения, его объемно-планировочное решение, методы подготовки массива, способы строительства) с учетом взаимосвязей между ними и характеристик породного массива.

Таким образом, полученные результаты подтверждают, что метод прогнозирования целесообразности строительства подземных сооружений в зависимости от глубины заложения  объекта, типа вмещающих пород, степени обводненности массива с точки зрения технических возможностей, экономических и экологических последствий принимаемых решений необходим.

Предложенный подход к оценке горно-геологических условий с точки зрения пригодности для подземного строительства включает также разработанные организационно-технические мероприятия по защите подземного сооружения от подземных вод в период его строительства и эксплуатации.

В четвертой главе диссертации рассматривается методика оценки рисков возникновения аварийных ситуаций при строительстве и эксплуатации подземных сооружений, включающая выявление основных видов проявления рисков, рискообразующих факторов, методов управления рисками.

Создание рискобезопасных технологий возможно только на основе овладения методами управления рисками. Разработка методов управления рисками в подземном строительстве с целью предотвращения или локализации их негативных проявлений и повышения жизнестойкости сооружений в экстремальных и чрезвычайных ситуациях имеет важное народнохозяйственное значение для строительной индустрии.

Строительство подземных сооружений характеризуется динамизмом и высокой степенью неопределенности, поэтому фактор риска - неотъемлемый атрибут освоения подземного пространства мегаполисов.

Под фактором риска понимается вероятность (опасность) возникновения ситуации, при которой система не способна бесперебойно выполнять возложенные на нее функции в течение запланированного срока службы.

Разработана классификация и проведена систематизация рисков по ряду признаков, позволяющая их идентифицировать, выявлять слабые места в создаваемых и эксплуатируемых природно-технических системах «массив - технология - подземное сооружение - окружающая среда». Принятая концепция «приемлемого риска» позволила в этих системах использовать принцип прогнозирования возможного рискового события.

В условиях сложившегося современного подхода к освоению подземного пространства проблема техногенной опасности и эколого-техногенных рисков приобретает особое значение для районов города, где сосредоточена развитая транспортная и коммуникационная инфраструктура, имеется историческая застройка в сочетании со значительным износом большого количества ранее созданных подземных объектов и сложной социально-экономической обстановкой. При этом должен оцениваться риск не только для нормальных условий эксплуатации подземных сооружений города, но и для случаев аварий с разрушением несущих конструкций, резервуаров, выходом загрязняющих веществ в окружающую среду.

Минимизировать риски можно только при их идентификации и выработке методов снижения единичных (частных) рисков, являющихся компонентами комплексного показателя риска.

Установлены основные причины нарастания тенденции негативных рисков при освоении подземного пространства мегаполисов: возрастание концентрации, плотности подземного строительства и степени его энергонасыщенности;  недостаточный уровень и недооценка роли информационного  обеспечения принимаемых проектных, технологических и технических решений; критический уровень износа оборудования; нарушения производственной и технологической дисциплины; ослабление роли государственных органов контроля и управления; проблемы правовой и экологической культуры исполнителей и руководителей всех уровней и др.

Главной причиной рисков в подземном строительстве является отсутствие достаточно полной и объективной информации  о закономерностях возникновения и развития процессов в ПТГС «массив - технология - подземное сооружение - окружающая среда», приводящих к потере ее структурно-функциональной и вещественно-энергетической устойчивости.

В работе рассмотрены фундаментальные вопросы управления рисками в подземном строительстве и отмечена ведущая роль информационного обеспечения в определении стратегии такого управления, которое должно строиться с учетом сложности, активности и нелинейности создаваемых и эксплуатируемых в подземном пространстве природно-технических систем.

При этом должны учитываться  следующие положения:

1. По мере совершенствования информационного обеспечения строительных геотехнологий и углубления знаний о закономерностях процессов в рамках этих технологий сопровождающие их аномальные эффекты могут переходить в разряд прогнозируемых, а соответствующие риски – в разряд управляемых.

2. При изучении геологической среды и процессов различной физической природы в зонах освоения подземного пространства, а также особенностей функционирования и взаимодействия расположенных в этих зонах ПТГС, необходимо в качестве приоритетной обозначить проблему повышения качества информационного обеспечения освоения подземного пространства за счет комплексирования методов инженерной геологии, горной геофизики, геомеханики и геодезии.

3. Подземное пространство как сложная активная и нелинейная ПТГС, которая характеризуется совокупностью как целенаправленных функциональных, так и нефункциональных связей, требует контроля ее отдельных элементов и подсистем с учетом их возможного взаимовлияния в режиме непрерывного или дискретно-непрерывного мониторинга с привлечением различных методов неразрушающего контроля и горной геофизики, использующих широкий спектр физических явлений и полей.

4. Актуальной задачей подземного городского строительства является включение геоконтроля в качестве полноправного элемента в систему строительных геотехнологий и постепенный переход на экспертные диагностические системы, позволяющие оценивать остаточный ресурс природно-технических объектов и риск их эксплуатации. Основной задачей таких систем должна стать не фиксация отклонений нормируемых параметров (то есть наличия дефектов), а регистрация и исследование физических эффектов и процессов, предшествующих моменту перехода объектов в «дефектное» неустойчивое состояние. При этом особое внимание должно быть уделено тем из указанных эффектов и процессов, проявления которых носят нелинейный характер.

5. Планомерное, рациональное и комплексное освоение подземного пространства на основе предварительного изучения состояния породного массива с использованием современного информационного обеспечения принимаемых решений, основанных на внедрении инновационных технологий, позволит реализовать эффективное и безопасное развитие инфраструктуры городов-мегаполисов для размещения производственных, социальных и иных объектов человеческой деятельности.

В работе приведена классификация рискообразующих факторов при строительстве подземных сооружений.

Из общего состава факторов риска выделены две основные группы. Первая относится к неточностям представлений разработчиков о прогнозном состоянии внешней среды проекта строительства. Вторая группа факторов риска связана с возможными ошибками и неточностями в определении внутренних характеристик проекта строительства.

Помимо рискообразующих факторов выделены факторы, определяющие уровень риска. Эти факторы классифицированы по следующим категориям и признакам:

  • по степени влияния на деятельность строительной организации;
  • по степени управляемости строительной организацией;
  • по характеру воздействия на риск;
  • по источнику возникновения рисковых факторов.

Ключевой момент подготовительного этапа организации управления рисками при строительстве подземных сооружений - оценка уровня и допустимого предела рисков для строительной организации. При этом целесообразно проводить качественно-количественную (комбинированную) оценку риска. Качественная оценка призвана определить возможные виды риска, факторы, влияющие на его уровень при строительстве подземных сооружений. Кроме того, качественный анализ включает в себя также методологический подход к количественной оценке приемлемого уровня риска.

Приведенная классификация интегральных рискообразующих факторов позволяет сформировать системный подход к ПТГС «массив - технология - подземное сооружение - окружающая среда», который подразумевает:

  • выявление доминирующих рискообразующих факторов;
  • выявление уровня значимости каждого из элементов;
  • выявление взаимосвязей внутри системы.

Данный системный подход предопределяет установление количественных критериев, характеризующих уровень экологической, экономической, технологической и эксплуатационной безопасности при строительстве подземных сооружений.

Методологические принципы принятия решения в отношении рисков следует разделить на два блока:

- идентификация опасностей, оценка воздействия и его последствий, характеристика риска и сравнение его с другими рисками с целью определения степени приемлемости  и выработки приоритетного направления;

- разработка планов действия по снижению и контролю риска, оценка их эффективности и выработка рекомендаций для принятия решения.

Независимыми переменными, по которым оценивается риск, являются время и ущерб, а для  оценки (прогноза) риска необходимо определять частоту реализаций опасных событий и ущерб от них.

Вероятность возникновения аварийной ситуации тесно связана с надежностью функционирования системы. Чем дольше система может противостоять воздействию негативных факторов риска, тем меньше угроза возникновения аварийных ситуаций.

Повышение надежности системы автоматически приведет к снижению риска возникновения аварийных ситуаций.

К основным методам управления риском относятся: административно-правовые; инженерно-технические; финансово-экономические.

Для принятия эффективных управленческих решений в сфере безопасности жизнедеятельности необходима количественная  информация о величине риска и его зависимости от различных факторов.

В основе реализации главной цели управления рисками лежат:

- «пассивные действия»  (учет факторов риска технологической цепочки, разработка аварийных сценариев по предотвращению угрозы возникновения или ликвидации аварийных ситуаций);

- «активные действия» (замена звена технической цепочки, являющегося фактором, способствующим возникновению аварийной ситуации, или всей технологии в целом).

С этих позиций в работе проанализированы все этапы строительства подземного сооружения и  каждая технологическая цепочка как при подготовке массива, так и при строительстве.

Такое исследование позволило с учетом всех факторов риска, выявить оптимальные критерии проведения технологического процесса, сравнить технологии и выбрать оптимальный вариант строительства подземного сооружения.

Снижение риска возникновения аварийных ситуаций возможно при наличии банка данных, учитывающих сложности горно-геологических условий, и ведении мониторинга состояния массива по трассе предполагаемого строительства.

Обеспечение жизнеспособности подземного сооружения невозможно без надежной работы обделки, особенно при использовании технологий подготовки массива, обеспечивающих упрочнение пород только на период строительства, так как в период эксплуатации обделка начинает испытывать негативное влияние процессов, происходящих как в массиве, так и в самом подземном сооружении, особенно в канализационном тоннеле. Поэтому при проектировании обделки необходимо учитывать все факторы риска, приводящие к возникновению аварийных ситуаций.

В работе рассмотрены факторы, которые влияют на жизнестойкость канализационных коллекторов. Из них выделены три группы факторов:

А. Внешние, характеризующие негативное влияние процессов, происходящих в массиве и в наземной инфраструктуре города;

Б. Внутренние, зависящие от функционального назначения объекта;

В. Факторы, связанные с технологическими просчетами в период строительства, которые обнаруживаются в процессе эксплуатации.

В основе классификации лежит сущность процессов, вызывающих негативные последствия, согласно которой факторы подразделяются на физические, химические, биологические, технологические.

При исследовании причин возникновения рисковых ситуаций в конкретной сложной природно-технической системе «канализационный коллектор - окружающая среда» учитывалось синергетическое действие этих процессов. Обобщение данных показывает, что рассматриваемая ПТГС является системой, в которой одновременно действуют факторы риска возникновения аварийной ситуации как внутри коллектора, так и со стороны вмещающего массива. При этом собственно технология выемки породы при строительстве магистральных коллекторов в различных по сложности горно-геологических условиях и горнопроходческая техника достигли очень высокого уровня развития и в настоящее время нет необходимости их совершенствовать.

«Слабым  звеном» в этой системе является обделка коллекторных тоннелей, от качества изготовления которой и ее конструктивных решений зависят долговечность и эксплуатационные показатели подземного сооружения.

Концепция «приемлемого риска» позволила установить, что  надежность функционирования системы «канализационный коллектор - окружающая среда» увеличится за счет модернизации существующей (типовой) обделки кабельных и  канализационных коллекторов или разработки коллекторных обделок нового технического уровня.

В настоящее время все канализационные коллекторы имеют комбинированную обделку, состоящую из трапециевидных блоков (несущее кольцо) и вторичной обделки (монолитное железобетонное кольцо). Эта обделка имеет ряд существенных недостатков, которые влияют на долговечность и технико-экономические показатели строительства и эксплуатации коллекторов.

Модернизация существующей технологии крепления канализационных коллекторов заключается в увеличении долговечности обделки за счет оптимизации конструктивных параметров  стыковых соединений и взаимного расположения смежных блоков в обделке, оптимизации толщины слоев обделки и устройстве защитного слоя - футеровки из штучных коррозиестойких материалов на основе каменного литья.

Коллекторные обделки нового технического уровня - это обделки, разработанные на основе комплексного учета функциональных, технических, экологических и экономических требований, основанных на результатах фундаментальных научных исследований в области механики подземных сооружений, строительных материалов, экологии, экономики и обеспечивающих достижение таких технико-экономических показателей при строительстве и эксплуатации коллекторных тоннелей, которые по своему уровню значительно превосходят все прежние аналоги и недостижимы при традиционных подходах к совершенствованию конструкций. Эти исследования нашли свое отражение в 5-й и 6-й главах диссертации.

В пятой главе надежность рассматривается по фактору несущей способности обделок в эксплуатационной стадии работы конструкции.

В расчетной схеме определения реальной надежности сборных кольцевых тоннельных обделок геометрическая составляющая их конструктивной схемы определяется следующими показателями: глубиной заложения , диаметром кольца , его толщиной , количеством сегментов n, их формой, типом стыка и его характерных параметров, а также начальной  эллиптичностью el и распределением по контуру начальных эксцентриситетов приложения нормальной силы , описывающих фактическую форму кольца после завершения монтажной стадии. Помимо этого, геометрическая составляющая схемы нагружения конструкции определяется такими показателями, как размер безотпорной зоны в своде (размер сектора в радианах) и характер заполненности раствором строительного зазора.

В материальной составляющей схемы нагружения величины нагрузок (помимо глубины заложения ) определяются физико-механическими свойствами породного массива. В работе в соответствии с данными различных исследований эти свойства выражаются через единственный параметр – коэффициент крепости (в диапазоне 0,54). Получены следующие зависимости для основных параметров физико-механических свойств исследуемых пород:

- модуль деформации (при );

- коэффициент Пуассона (при );

- коэффициент сцепления (при );

- угол внутреннего трения (в град.) (при ),

где R2 – величина достоверности аппроксимации.

Коэффициент бокового распора определен, как .

В материальной составляющей конструктивной схемы обделок введены следующие параметры. Это класс бетона В со значениями средних величин для начального модуля упругости и призменной прочности ,: и , а также стандартные отклонения для этих параметров: и . Кроме этого, вводится класс арматуры со  значениями средних величин и стандартных отклонений для сопротивления растяжению : ,.

Для условий неглубокого заложения проанализирована надежность комбинированной конструкции с внутренним футеровочным защитным слоем из блоков каменного литья (КО). В качестве несущего слоя рассматривается широко применяемая 6-блочная обделка из трапециевидных блоков с выпукло- вогнутыми стыками с перевязкой швов между кольцами диаметрами 3,6 и 4,0 м. В качестве примера рассмотрена возможность использования и 8-блочной обделки диаметром 6,0 м из блоков такой же формы.

Проведен анализ поведения самого несущего слоя. При деформации этого слоя, помимо раскрытия стыков и перемещений в радиальном направлении, трапециевидные блоки стремятся выйти из плоскости кольца с перекрещиванием стыковых сечений. анализ поведения колец при ограничении их деформаций в осевом направлении тоннеля показал, что стесненность такого рода переходит в соответствующее ограничение на деформации в радиальном направлении, которое с расчетной точки зрения удобно учесть введением эквивалентного отпора со стороны массива.

Получены зависимости для внутренних усилий в несущем кольце комбинированной обделки.

Анализ зависимостей показал следующее:

-  при значениях коэффициента крепости в диапазоне 0,54 и классе бетона В30В60 при глубинах до 20 м потеря несущей способности в теле блоков не будет иметь места даже при отсутствии армирования;

- оценку надежности обделок следует проводить по фактору несущей способности стыков.

Разработана модель прогнозирования надежности коллекторного тоннеля. Разбросы в значениях параметров в обеих составляющих конструктивной схемы и схемы нагружения моделируются случайными величинами с известными законами распределения (т.н. базисные переменные ). Толщины слоев рассматриваются как детерминированные величины. Применяется метод вторых моментов первого порядка с использованием в качестве показателя надежности индекса надежности  β для несущего слоя, определяемого в пространстве нормализованных значений свойств и параметров состояния  как минимальное расстояние до предельной поверхности :

,

где - прочность стыка при сжатии, - нормальное усилие в стыке.

По результатам моделирования установлена низкая надежность комбинированной обделки (КО) по фактору несущей способности стыков.

Чувствительность значений индекса надежности  к изменению величин, которые следует оценивать при проектировании обделок (КО), распределена следующим образом: наибольшее влияние  оказывают коэффициент крепости пород, далее класс бетона и в меньшей степени класс арматуры.

Шестая глава диссертации посвящена исследованию и разработке инновационной технологии строительства коммуникационных тоннелей с применением высокоточных железобетонных блоков с плоскими стыками (ОВТБ) нового технического уровня.

Общие требования к обделке коммуникационных тоннелей широко известны в технической литературе. Следует только отметить основные, которые были учтены при выполнении данной диссертации: высокая точность изготовления элементов обделки, оснащенных долговечными закладными деталями различного назначения; наличие уплотнений из долговечных материалов (в частности, из синтетического каучука), обеспечивающих герметичность тоннелей; высокая проницаемость растворов, нагнетаемых за обделку; коррозионная стойкость; стойкость против гидроабразивного износа; огнестойкость; плотность бетонов; адгезия полимерных материалов к бетону; удобство и быстрота монтажа в подземных условиях; обеспечение минимальных сдвижений земной поверхности после проходки и другие.

Для разработки методики определения параметров коллекторных обделок нового технического уровня было выполнено обоснование расчетных схем блочной обделки. Разработана следующая процедура расчета, учитывающая конструктивные особенности блочной обделки. На первом этапе расчета конструктивная податливость обделки в стыках между блоками не учитывается: кольцо обделки рассматривается как бесшарнирная конструкция и параметры нагрузки на обделку от воздействия горного давления и транспорта на поверхности определяются из решения контактной задачи для обделки и вмещающего породного массива в постановке плоской деформации в «снимаемых» с породного контура тоннеля напряжениях; при определении внутренних усилий (изгибающих моментов и нормальных сил) учитывается собственный вес обделки, который на малых глубинах заложения при большом поперечном сечении обделки может оказать существенное влияние на величину внутренних усилий. На втором этапе расчета производится оценка изгибающих моментов в плоских стыках между блоками с изолирующими прокладками за счет их частичного раскрытия, разгружающих стыковые соединения, которые затем учитываются при определении изгибающих моментов в средних сечениях блоков. Расчет арматурного каркаса выполняется по внутренним усилиям в среднем сечении лоткового блока, где изгибающие моменты в кольце обделки достигают максимального значения при минимальном значении нормальных сил сжатия.

Проектирование арматурных каркасов высокоточных железобетонных блоков выполнено на основании приведенных расчетных рекомендаций и известных нормативных документов. Для глубины заложения тоннеля 20 м и 40 м рассматривались два варианта армирования – симметричное при  одинаковом количестве арматуры во внутреннем и внешнем арматурных каркасах и несимметричное при большем количестве арматуры во внутреннем наиболее напряженном каркасе и соответственно меньшем количестве арматуры во внешнем каркасе.

Необходимое количество рабочей арматуры для внешнего и внутреннего каркасов при проектировании однотипных по сечению тоннеля блоков приведено в табл. 1. Как следует из табл. 1, несимметричное армирование блоков обделки приводит к сокращению количества рабочей продольной арматуры более чем на 30%, по сравнению с симметричным армированием, что существенно снижает стоимость обделки.

Таблица 1

Сечение рабочей арматуры внутреннего и внешнего каркаса блоков

при симметричном и несимметричном армировании

Диаметр тоннеля и глубина его заложения

Симметричное армирование

Несимметричное армирование

% экономии арматуры при несимметричном армировании по сравнению с симметричным

Внешний каркас, см2

Внутренний каркас, см2

Внешний каркас, см2

Внутренний каркас, см2

D=3,15м, H=20м

9,34

9,34

4,51

7,71

35

D=3,15м, H=40м

13,44

13,44

6,92

11,77

30

D=4,0м, H=20м

10,93

10,93

5,08

9,61

33

D=4,0м, H=40м

15,33

15,33

6,07

14,26

34

Современные проблемы подземного строительства, дорожно-транспортного, жилищно-коммунального хозяйства и других отраслей промышленности невозможно решить без создания новых материалов, обладающих комплексом высоких технологических и эксплуатационных свойств, а также и новых функциональных возможностей.

Благодаря уникальному сочетанию комплекса свойств широкое примене­ние нашли полимерные композиционные материалы (ПКМ). Это прежде всего высокопрочные, высокомодульные, легкие и высокотехнологичные материалы.

В настоящее время одним из перспективных направлений при строительстве канализационных тоннелей является использование стеклопластиков для облицовки (футеровки) железобетонных блоков с целью их гидроизоляции. Использование стеклопластиков в этом случае позволяет создать прочную, герметичную гидроизоляционную оболочку, существенно снизить массу конструкции, увеличить коррозионную стойкость и значительно повысить срок службы подземного сооружения.

Серийное производство железобетонных блоков, облицованных стеклопластиком, в мировой практике до настоящего времени не освоено. Имеются лишь отдельные экспериментальные разработки.

Анализ имеющихся материалов показал, что они представляют собой листовые стеклопластики, армированные длинными хаотически расположенными в плоскости стеклянными волокнами (армированные системы в двух направлениях), содержание которых составляет 30%, а в качестве полимерного связующего использованы композиции на основе эпоксидных смол (полиэфирных смол или их смеси).

В диссертации представлены результаты лабораторных и натурных исследований образцов отечественных и импортных составов полимерного покрытия, проведенных в лаборатории коррозии бетона института НИИЖБ. Испытания проводились по двум направлениям: ускоренные (по методике НИИЖБ) и в натурных условиях действующего канализационного коллектора. Испытания включали в себя определение массы, прочности и водопоглощения бетона в исходном состоянии; истираемости образцов в исходном состоянии; состояния поверхности образцов в исходном состоянии и после коррозионных испытаний; прочности и массы образцов после испытаний в серной кислоте и в газовой среде коллектора.

Результаты лабораторных исследований показали, что после 6 месяцев коррозионных испытаний в 5%-ном растворе серной кислоты масса образцов полимерной футеровки состава ЭК возросла на 9,2% от исходной, состава ЭПК – на 3,2%, состава ЭП – на 0,52%. Прочность образцов снизилась соответственно для составов полимерной футеровки ЭК, ЭПК и ЭП на 22,4; 11,3 и 12,4% от исходной. Образцы из мелкозернистого бетона через 1 месяц испытаний в аналогичных условиях имели потерю массы, равную 60% от исходной. Образцы имели повреждения, при которых невозможно выполнить определение прочности.

После 8 месяцев испытаний в газовой камере действующего коллектора сточных вод прочность образцов снизилась соответственно для составов полимерной футеровки ЭК, ЭПК и ЭП на 1,7; 9,1 и 9,3% от исходной. К этому времени потеря массы образцов из мелкозернистого бетона составила 7,3% от исходной, образцы имели повреждения, при которых невозможно выполнить определение прочности.

Водопоглощение по массе образцов указанных составов находится в пределах 0,03-0,07%, что косвенно указывает на низкую проницаемость полимерной футеровки для жидкости. Для сравнения водопоглощение по массе мелкозернистого цементного бетона составляет 7,9%.

Истираемость образцов полимерной футеровки определена по ГОСТ 13087-81 «Методы определения истираемости». За среднюю истираемость приняты экспериментально полученные значения Gср=0,061; 0,084 и 0,039 г/см2  образцов составов ЭК, ЭПК и ЭП (определялась разница по массе (г) и по площади истираемой поверхности (см2) рассчитывалась истираемость (г/ см2). По аналогии оценки истираемости цементного бетона указанные значения значительно меньше величины равной 0,7 г/см2, которая по ГОСТ 13015.0 требуется для железобетонных конструкций, работающих в условиях повышенной интенсивности движения.

Таким образом, образцы полимерной футеровки всех представленных ЭПК и ЭП показали высокую по сравнению с цементными бетонами стойкость в условиях воздействия 5%-ного раствора серной кислоты и газовой среды коллектора сточных вод. Прогнозные сроки защитного действия футеровки составляют для ЭК, ЭПК и ЭП соответственно около 10, 30 и 100 лет.

В диссертации приведены расчеты для металлических и полимерных анкеров, а также разработанные конструкции обделки канализационного коллектора с полимерной футеровкой и усиленным креплением полимерных листов к бетону.

Для стендовых исследований параметров высокоточных железобетонных блоков для кабельных тоннелей, а также блоков для канализационных тоннелей с полимерной футеровкой были изготовлены экспериментальные и опытные партии обделки с металлическими и полимерными анкерами.

Испытания элементов блоков проводились с целью изучения напряженно-деформированного состояния элементов, а также их прочности и трещиностойкости  под воздействием горного давления и нагрузки от щитовых домкратов.

Максимальные величины относительных деформаций в полимерной футеровке при контрольных нагрузках (вертикальной и горизонтальной) составили соответственно: растяжения в середине пролета 270х10-5 и растяжения в месте расположения анкерной пластины 70х10-5, при этом трещин в полимерной футеровке не было обнаружено. В зонах размещения анкеров отслаивания от бетонной поверхности полимерной футеровки не наблюдалось.

Технология серийного изготовления высокоточных железобетонных блоков разработана для обделки кабельных и канализационных тоннелей с внутренним диаметром 2750 мм, 2850 мм, 4100 мм при применении ТПМК АГ «Херренкнехт» (Германия).

Обделка тоннеля представляет собой отдельные кольца, собираемые из шести различных блоков, один блок замковый (D1), два смежных с замковым (С1, С2) и три обычных (А1, В1, В2), укладываемых с перевязкой швов (рис.5).

Рис. 5. Сборная обделка тоннеля из высокоточных блоков

Блоки изготавливаются из тяжелого бетона по ГОСТ 25192-82 со следующими показателями: класс бетона по прочности на сжатие В45; марка бетона по водонепроницаемости  W12; марка бетона по морозостойкости не ниже F100; значение нормируемой отпускной прочности составляет 100%.

В диссертации сформулированы также требования для разработки методики неразрушающего контроля дефектов железобетонных блоков с полимерной футеровкой, которая необходима для контроля качества обделки в процессе строительства и эксплуатации тоннеля.

В качестве объектов промышленного внедрения результатов исследований были выбраны участки для строительства кабельных и канализационных тоннелей, типичные по своим геологическим и гидрогеологическим характеристикам для Московского региона, вошедшие в перечень первоочередных объектов строительства, утвержденных Постановлением Правительства г. Москвы от 14.03.2006-№ 176-ПП  и распоряжением Правительства Москвы от 24.08.2006 г. № 1661-РП (кабельный тоннель от подстанции «Угреша» диаметром 3,150 м, кабельные тоннели от ТЭЦ-21, диаметром 3,250 и 4.10 м, кабельные тоннели от подстанции «Никулино» диаметром 4,1 и 3,250 м, кабельный тоннель 3,250 м от ГТЭС-северной, кабельный тоннель от ГТЭС «Терешково» диаметром 3,150 м, опытный участок канализационного Царицынского канала и др.). Эти объекты были построены с применением тоннелепроходческого механизированного комплекса (ТПМК) фирмы АГ «Херренкнехт» (Германия) с возведением обделки из высокоточных железобетонных блоков.

Институтом ГУП «Мосинжпроект» с участием автора разработаны проекты строительства кабельных коллекторов круглого сечения разных диаметров с применением высокоточных железобетонных блоков без возведения вторичной обделки («рубашки»).

Мониторинг сборных конструкций блоков  выполнялся в соответствии с требованиями рабочих чертежей ГУП «Мосинжпроект» РК 2419-06 и ТУ 5893-005-11653082-2007. Результаты испытаний прочности бетона блоков методом неразрушающего контроля с помощью тестера ультразвукового УК 1401 и методом со скалыванием с помощью прибора ПОС-50ГЧ согласно ГОСТ 22690-80 показали, что прочность бетона (R) составила от 62,5 до 74,6 МПа. За время проведения мониторинга строительства кабельных коллекторов каких-либо нарушений, связанных с приготовлением инъекционного раствора, а также с технологией инъектирования смеси в заблочное пространство, выявлено не было. Анализ систематических наблюдений за состоянием внутренней поверхности блоков показал, что протечки блоков в пройденных интервалах отсутствуют. Нагрузки образования трещин в блоках были выше контрольных величин: в блоке марки А1 - в 1,1 раза, в блоке С1 -  в 1,3 раза. Контрольная ширина раскрытия трещин в блоках, составляющая 0,3 мм, была достигнута при нагрузках, превышающих контрольные величины в 1,3 раза. Испытание блока марки С1 на  нагрузку, имитирующую давление от двух домкратов по 70 тс, показало, что в бетоне ни на наружной, ни на внутренней поверхности трещины не образовались, отсутствовали также местные разрушения. Результаты испытаний прочности бетона блоков в тоннеле показали, что она не менее 65 МПа, т.е. блоки отвечают своему классу бетона В45.

В результате проведенного промышленного внедрения высокоточных железобетонных блоков для строительства кабельных тоннелей без возведения вторичной обделки («рубашки») разработаны рекомендации по организации строительства с применением тоннелепроходческих механизированных комплексов.

По состоянию на 31.05.2009 г. за период с мая 2007 г. с помощью четырех ТПМК фирмы АГ «Херренкнехт» ОАО «СУПР», ООО «Инжстрой-Сити- монолит», ОАО «Термосервис», ООО «Спецстрой-Инженеринг» построено более 8 км кабельных тоннелей с применением высокоточных железобетонных блоков.

Анализ опыта строительства кабельных коллекторов с применением новой технологии без возведения вторичной обделки позволяет сделать следующие выводы:

  • Рекомендованный для строительства кабельных тоннелей без возведения вторичной обделки тоннелепроходческий механизированный комплекс с грунтовым пригрузом фирмы АГ «Херренкнехт» типа ЕРВ 2750АЕ позволяет обеспечить незначительные просадки (около 3-5 мм) земной поверхности и сохранность проложенных коммуникаций.
  • Разработанные и изготовленные конструкции высокоточных железобетонных блоков позволяют достигнуть требуемой несущей способности и герметичности кабельных и канализационных коллекторов.
  • Для повышения надежности герметичности кабельных коллекторов в сложных гидрогеологических условиях следует дополнительно к указанному нагнетанию раствора производить инъектирование заобделочного пространства, для чего разработаны технологический регламент инъектирования и технические требования к высокоточным железобетонным блокам с повышенной несущей способностью.
  • Предложенная конструкция  несимметричных арматурных каркасов в высокоточных железобетонных блоках позволяет более рационально перераспределить напряжения в бетоне и арматуре, что обеспечивает более эффективную работу бетона обделки, позволяет уменьшить расход арматуры более чем на 30%.

Заключение

Представленная диссертация является научной квалификационной работой, в которой на основании выполненных автором исследований решена крупная научная проблема обоснования методологии и разработки инновационных технических решений, базирующихся на установленных закономерностях формирования инфраструктуры подземного пространства мегаполисов, статической работы и эксплуатационной надежности элементов новых конструкций обделок, рискобезопасности технологических и организационных процессов строительства коммунальных тоннелей для повышения эксплуатационных качеств подземных сооружений, снижения материальных и трудовых затрат, что имеет важное значение для развития экономики городского хозяйства и ускорения научно-технического прогресса при освоении подземного пространства мегаполисов.

Основные научные и практические результаты, полученные лично соискателем, заключаются в следующем:

1. Сформулирована концепция формирования и функционирования сложных природно-геотехнических систем, к которым относятся объекты городского подземного строительства, положенная в основу методологии строительства подземных сооружений с использованием гибких управляемых  технологических процессов, которая позволяет обеспечивать освоение и сохранение  подземного пространства как видоизменяемого георесурса.

2. Показано, что представление подземного пространства как сложной активной и нелинейной системы требует применения различных методов контроля ее отдельных подсистем с учетом их возможного взаимовлияния в режиме непрерывного или дискретно-непрерывного мониторинга с целью сведения к минимуму возможных негативных проявлений и тем самым обеспечения основного принципа - минимизации ущерба при освоении данного георесурса.

3. Разработаны методологические подходы к геолого-технологическому районированию и зонированию территории Москвы, которые позволили определить степень пригодности участков для подземного строительства объектов различного назначения в зависимости от глубины их заложения, типа вмещающих пород, степени обводненности массива с точки зрения технических возможностей, экономических и экологических последствий принимаемых решений.

4. Установлено, что минимизация ущерба от последствий негативных проявлений природных, технических, экономических и организационных рисков является основным принципом обоснования и разработки инновационных решений городского подземного строительства, интегрированно учитывающим его особенности.

5. Несущая способность обделки коллекторного тоннеля из высокоточных блоков обеспечивается прочностью стыковых соединений и может быть увеличена за счет увеличения количества рабочей арматуры, преимущественно во внутреннем арматурном каркасе по сравнению с внешним каркасом (несимметричное армирование);

6. Применение разработанной футеровки, состоящей из полимерных композиционных материалов (ПКМ) и армированной стекловолокном, с высокими абразивными (на порядок выше, чем у обычных бетонов) и прочностными свойствами обеспечивает повышение срока службы канализационных коллекторов более, чем в 3 раза, сокращение стоимости строительства на 25%, снижение трудоемкости в 5 раз и сокращение сроков строительства в 4 раза.

7. Повышение эксплуатационной надежности, герметичности, долговечности кабельных и канализационных коллекторов при снижении эксплуатационных затрат обеспечивается научно обоснованными параметрами обделки нового технического уровня из высокоточных железобетонных блоков, изготовленных из тяжелых бетонов по прочности на сжатие В45, по водонепроницаемости W12, морозостойкости не ниже F100, армированных поперечными плоскими каркасами и гнутыми стержнями, объединенными в объемные пространственные каркасы, позволяющих достичь экономии металла до 30% при высокой несущей способности блоков.

8. Результаты исследований приняты к использованию в ГУП «Мосинжпроект» и в ООО «Институт «Каналстройпроект» в качестве составной части проектных разработок магистральных кабельных и канализационных  тоннелей в условиях аварийного напорного режима сточных вод в виде «Временных рекомендаций по расчетному прогнозированию конструктивной надежности комбинированных обделок проектируемых магистральных канализационных тоннелей» (2003 г.), «Временных рекомендаций по расчетному прогнозированию конструктивной надежности комбинированных и высокоточных обделок кабельных и канализационных коллекторов» (2008 г.), вошли в «Руководство по применению микротоннелепроходческих комплексов и технологий микротоннелирования при строительстве подземных сооружений и прокладке коммуникаций закрытым способом»(2004 г.), в «Концепцию освоения подземного пространства и основных направлений развития подземной урбанизации города Москвы» (2007 г.), в «Концепцию формирования нормативных документов по освоению подземного пространства г. Москвы» (2008 г.).

9. Технология производства блочной обделки из высокоточных железобетонных блоков, в том числе с полимерной футеровкой для строительства кабельных и канализационных коллекторов, впервые внедрена в производство в Российской Федерации в ОАО «Моспромжелезобетон». По состоянию на 31.05.2009 г. изготовлено более 47000 блоков для кабельных тоннелей и впервые в мировой  практике изготовлено 3000 блоков с полимерной футеровкой.

10. Технология строительства коммунальных коллекторов с применением высокоточных железобетонных блоков без возведения вторичной обделки («рубашки») впервые внедрена в отечественной практике на предприятиях ОАО «СУПР», ООО «Инжстрой-Сити-монолит», ЗАО «Термосервис» и ООО «Спецстрой-Инженеринг». По состоянию на 31.05.2009 г. успешно пройдено за два года более 8,0 км кабельных и канализационных тоннелей в г. Москве. Впервые в мировой практике начато строительство опытного участка Царицынского канализационного коллектора с применением блоков с полимерной футеровкой.

Основные положения диссертации отражены в следующих

опубликованных работах:

Монографии:

  1. Левченко А.Н. Определение расчетных нагрузок на конструкции подземных сооружений. - В кн.: Инженерные задачи механики подземных сооружений (Картозия Б.А., Борисов В.Н.). -М.: МГГУ.-2001. - 161с. (§ 16).
  2. Левченко А.Н. Учет параметров стыков при расчете сборных кольцевых обделок. - В кн.: Инженерные задачи механики подземных сооружений (Картозия Б.А., Борисов В.Н.). - М.: МГГУ. - 2001. - 161с. (§ 25).
  3. Левченко А.Н. Направления развития методологии проектирования строительства подземных сооружений в сложных горно-геологических условиях. - В кн.: Методология проектирования строительства подземных сооружений (под ред. Корчака А.В.).- М.:Недра коммюникейшнс ЛТД.- 2001.- 416с.(§3.5)
  4. Левченко А.Н., Лернер В.Г., Петренко Е.В., Петренко И.Е. Организация освоения подземного пространства. Свершения и надежды. - М.: ТИМР.- 2002. - 406 с.
  5. Левченко А.Н., Куликова Е.Ю., Корчак А.В. Стратегия управления рисками в городском подземном строительстве. - М.: МГГУ, 2005. - 207с.

Статьи в рецензируемых журналах, входящих в Перечень ВАК Минобрнауки России:

  1. Левченко А.Н. Расчет трещиностойкости обделки магистрального канализационного тоннеля // Горный информационно-аналитический бюллетень. -2001. - № 10. - С. 88-90.
  2. Левченко А.Н., Корчак А.В. Оптимизация информационного поля выбора технологий строительства городских подземных сооружений на основе применения характеризационного анализа // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2004. - № 12. - С. 5-9.
  3. Левченко А.Н., Куликова Е.Ю., Корчак А.В.. Анализ факторов риска при строительстве городских подземных сооружений // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2004. - № 11. - С. 5-11.
  4. Левченко А.Н. Геотехнологическая стратегия и высокие технологии освоения подземного пространства города Москвы // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2006. - № 4. - С. 14-18.
  5. Левченко А.Н., Федунец Б.И., Дмитриев А.Н. Технология строительства коллекторных тоннелей без вторичной обделки с применением футеровки на основе полимерных материалов // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2006. - № 7. - С. 19-25.
  6. Левченко А.Н. Обоснование расчетных схем блочной обделки кол-лекторных тоннелей // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2007. - №1. - С. 29-35.
  7. Левченко А.Н. О новом направлении научных исследований в строительной геотехнологии // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2007. - №2. - С. 15-22.
  8. Левченко А.Н., Куликова Е.Ю. Классификация интегральных риско-образующих факторов при строительстве городских подземных сооружений // Известия вузов. Горный журнал. - 2007. - № 2. - С.45-48.
  9. Левченко А.Н. Некоторые методологические аспекты безопасного освоения подземного пространства в городских условиях // Горный журнал. - 2007. - № 6. - С. 75-78.
  10. Левченко А.Н., Шкуратник В.Л., Федунец Б.И. Неразрушающий конт-роль дефектов железобетонных блоков с полимерной футеровкой, используемых для строительства канализационных коллекторов в городских условиях // Известия вузов. Горный журнал. - 2008. - № 7. - С. 91-98.
  11. Левченко А.Н., Федунец Б.И., Ляпидевский Б.В., Пахомов А.В. Лабораторные исследования параметров высокоточных железобетонных блоков для строительства кабельных и канализационных тоннелей // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2008. - №12. - С. 77-90.
  12. Левченко А.Н. Концепция оценки экономической эффективности технологий строительства коллекторных тоннелей // Известия вузов. Горный журнал. - 2009. - № 2. - С. 39-44.
  13. Левченко А.Н. Методика оценки деформационных свойств несущего слоя обделок магистральных канализационных тоннелей // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2009. - № 4. - С. 32-36.

Другие научные публикации:

        1. Левченко А.Н., Борисов В.Н., Павлов О.Н. Выбор и обоснование конструктивных параметров обделки и гидроизоляции магистрального канализационного тоннеля глубокого заложения в г. Москве // Проблемы строительной геотехнологии / Строительство и эксплуатация подземных сооружений и шахт. - М.: Изд-во МГГУ, 2000. - С. 75-81.
        2. Левченко А.Н., Павлов О.Н., Борисов В.Н. Расчет сборной железобетонной обделки щитовых тоннелей с учетом характеристик стыковых соединений // Проблемы освоения подземного пространства / Сб. науч. тр. - Тула, 5-7 апреля, 2000. - С. 85-89.
        3. Левченко А.Н., Картозия Б.А., Борисов В.Н., Павлов О.Н. Временные рекомендации по расчетному прогнозированию конструктивной надежности комбинированных обделок проектируемых магистральных канализационных тоннелей. - М.: МГГУ, 2003. - 33 с.
        4. Левченко А.Н., Куликова Е.Ю. Влияние технологий строительства городских подземных сооружений на формирование аварийного риска // Известия ТулГУ, серия: Геомеханика. Механика подземных сооружений. - Тула, 2004. - Вып. 2. - С. 184-187.
        5. Руководство по применению микротоннелепроходческих комплексов и технологий микротоннелирования при строительстве подземных сооружений и прокладке коммуникаций закрытым способом / А.Н.Левченко, Б.И.Федунец, Б.А.Картозия и др.- М.: МГГУ, 2004.- 87с.
  1. Левченко А.Н., Булычев Н.С. Искусство расчета подземных сооружений // Подземный город-2004/ Междунар. науч.-практ. конф. - М.: 2004, - С. 65-66.
  1. Левченко А.Н., Власов С.Н. Микротоннелирование - прогрессивная технология подземного строительства. - РОБТ. - 2004. - Спецвыпуск. – С. 17-20.
  2. Левченко А.Н., Корчак А.В. Экспертная обработка информации при проектировании городских подземных сооружений. - М.: Физматлит, Информационная математика. - №1(5). - 2005. - С. 78-86.
  3. Левченко А.Н. Сравнительный анализ методов выбора альтернативных вариантов при проектировании городских подземных сооружений // Обозрение прикладной и промышленной математики. – 2005. -Т. 12, вып. 2. - С. 421-422.
  4. Левченко А.Н., Картозия Б.А., Корчак А.В., Мельникова С.А. Геотехнологическая стратегия освоения подземного пространства г. Москвы // Китайско-Российский науч.-техн. симпозиум / Сб. науч. тр. - КНР, Пекин, 2005. - С. 397 -404.
  5. Левченко А.Н., Ильичев В.А., Петрухин В.П., Кисин Б.Ф., Семкин В.В., Шапошников А.В. Проектирование подземной части манежа в процессе его воссоздания // Метро и тоннели. - 2005. - №2. - С. 8-11.
  6. Левченко А.Н., Корчак А.В. Стратегия проектирования городских подземных сооружений // Информационные технологии. - 2005. - № 8. - С. 2-6.
  7. Левченко А.Н. Классификация строительных рисков при освоении подземного пространства городов // Менеджмент в горной промышленности / Неделя горняка-2005: Мат-лы круглого стола. - М.: ООО «МИГЭК», 2005. - С.167 - 169.
  8. Левченко А.Н. Выбор оптимальной технологии строительства городских подземных сооружений на основе информационного моделирования // Обозрение прикладной и промышленной математики. - 2005. -Т. 12, вып. 4. - С. 1021-1022.
  9. Левченко А.Н. Обоснование управленческого решения при строительстве подземных сооружений // Обозрение прикладной и промышленной математики. - 2005. -Т. 12, вып. 4. - С. 1022-1023.
  10. Левченко А.Н. Алгоритм поиска оптимальной стратегии проектирования подземных сооружений // Обозрение прикладной и промышленной математики, - 2005, -Т. 12. вып.4. С. 1020-1021.
  11. Левченко А.Н. Экономические аспекты риска в городском подземном строительстве // Эколого-экономические проблемы природопользования в горной промышленности / Сб. научн. тр. - Шахты: Изд-во ЮРОАГН. - 2005. - Вып. 8. - С. 37-42.
  12. Левченко А.Н., Федунец Б.И., Дмитриев А.Н. Создание технологии строительства подземных городских тоннелей тоннелепроходческими механизированными комплексами без вторичной обделки с применением футеровки на основе полимерных материалов // Технология, оборудование, материалы, нормативное обеспечение и мониторинг для тоннельного строительства и тоннельных частей высотных зданий / Междунар. науч.-практ. конф.: - М.: 2006. - С. 12-17.
  13. Левченко А.Н. Применение факторного анализа в проектировании строительства городских подземных сооружений // Обозрение прикладной и промышленной математики. - 2006. - Т. 13, вып. 5. - С. 916-917.
  14. Левченко А.Н., Давыдкин Н.Ф., Федунец Б.И. Расчет огнестойкости железобетонных конструкций обделки кабельных коллекторов // Подземное пространство мира. - 2006. - № 1-2. - С. 49-56.
  15. Левченко А.Н. Организация освоения подземного пространства мегаполисов // Деловая слава России, Межотраслевой альманах. - 2006. - Спецвыпуск. - С. 27-31.

23.        Левченко А.Н., Федунец Б.И., Дмитриев А.Н., Корчак А.В., Картозия Б.А. К вопросу о разработке системы нормативных документов по освоению подземного пространства // Освоение подземного пространства городов: преодоление сложных геологических и градостроительных условий. / Междунар. науч.-практ. конф.: - М.: ВВЦ, 23-24 октября, 2007. - С. 7-14.

  1. Левченко А.Н., Федунец Б.И., Ляпидевский Б.В., Егоров О.В., Дмитриев А.Н. Опыт применения железобетонных блоков с повышенной несущей способностью и точностью на строительстве кабельных тоннелей без вторичной обделки и перспективы применения этих блоков с полимерной футеровкой при строительстве канализационных тоннелей // Освоение подземного пространства городов: преодоление сложных геологических и градостроительных условий / Междунар. науч.-практ. конф.: - М.: ВВЦ, 23-24 октября, 2007.- С. 33-43.
  2. Левченко А.Н., Корчак А.В., Картозия Б.А., Федунец Б.И., Дмитриев А.Н. О перспективах разработки системы нормативных документов по освоению городского подземного пространства // Метро и тоннели. 2007. - № 4. - С. 4-8.
  3. Левченко А.Н., Федунец Б.И., Дмитриев А.Н. Строительство кабельных и канализационных коллекторов без вторичной обделки («рубашки») // Передовые технологии, оборудование и методы инженерно-геологических и геофизических изысканий и исследований при строительстве подземных сооружений / Мат-лы круглого стола. - М.: -2007. - С. 127-134.
  4. Левченко А.Н., Федунец Б.И., Ляпидевский Б.В., Егоров О.В., Дмитриев А.Н. Опыт и перспективы применения железобетонных блоков с повышенной несущей способностью и точностью изготовления на строительстве кабельных тоннелей без вторичной обделки // Метро и тоннели. - 2008. - № 1. - С. 32-36.
  5. Левченко А.Н., Корчак А.В., Картозия Б.А., Федунец Б.И., Дмитриев А.Н., Баклашов И.В. Концепция формирования системы нормативных документов по освоению подземного пространства г. Москвы // Международная конференция по вопросам освоения подземного пространства г. Москвы / Сб. науч. тр. - М.: 2008. - С. 54-62.
  6. Levchenko A.N., Kartozija B.A., Fedunets B.I., Baklashov I.V., Korchak A.V., Dmitriev A.N. The concept of formation of System of normative documents on development of underground space of Moscow. International Scientific and Practical Conference Concernin development of underground space of city of Moscow, M., 2008 -165 p. (p. 122-129).
  7. Левченко А.Н., Федунец Б.И., Дмитриев А.Н., Саватеев А.Д., Пахомов А.В. и др. Сборная водонепроницаемая обделка тоннеля и кольцевой элемент для нее. - Федеральная служба по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам (Роспатент).  Решение о выдаче патента на изобретение от 24 июня 2008 г. Заявка № 20088118069/03(020848).
  8. Левченко А.Н., Черняков А.В., Богомолова О.В., Федунец Б.И. Связующие для армированных пластиков. - Федеральная служба по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам (Роспатент).  Решение о выдаче патента на изобретение от 29 апреля 2008 г. Заявка № 2007111688/04(012698).
  9. Левченко А.Н., Федунец Б.И. Разработка инновационных технических решений при подземном строительстве коммуникационных тоннелей // Особенности освоения подземного пространства и подземной урбанизации в крупных городах-мегаполисах / Сб. науч. тр. международной конференции. - М.: 2008.- С. 11-19.
  10. Левченко А.Н. Современное состояние и перспективы подземного строительства в г. Москве // Особенности освоения подземного пространства и подземной урбанизации в крупных городах-мегаполисах / Сб. науч. тр. международной конференции. - М.: 2008.- С. 6-11.
  11. Левченко А.Н., Булычев Н.С., Гильштейн С.Р. Концепция безопасного освоения подземного пространства // Технологии мира.- 2008.- № 6.- С.  36-39.
  12. Павлов О.Н., Левченко А.Н., Корчак А.В., Мельникова С.А., Франкевич Г.С., Курганский М.Н., Закоршменный А.И. Временные рекомендации по расчетному прогнозированию конструктивной надежности комбинированных и высокоточных обделок кабельных и канализационных коллекторов. - М.: МГГУ, 2008. - 44 с.
  13. Левченко А.Н. Подземное освоение столицы: состояние и перспективы // Подземная столица. - 2009.- №1-2. - С. 8-11.

Подписано в печать                                                                Формат 60х90/16

Объем 2 печ. л.                        Тираж 100 экз.                        Заказ №

Отдел печати Московского государственного горного университета

Москва, Ленинский проспект, 6






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.