2ΓН - σсж

Р = γR_o{[ ]^{1/ β}-1} ( 9 )

(β + 2) Р_к

где γ - объемный вес пород;

Н—глубина заложения выработки;

σ_{сж -} предел прочности пород на сжатие;

β= 2sinρ/1 –sinρ,

ρ—угол внутреннего трения;

p

Рис. 1 График к определению оптимальной податливости крепи

Очевидно, что при определенной податливости крепи мо­жет возникнуть такое положение, при котором нагрузка от ве­са объема пород в области разрушения станет равной несу­щей способности крепи, поэтому малейшее увеличение радиу­са области разрушения пород приведет к ее разрушению.

Следовательно, за оптимальную податливость крепи долж­на быть принята податливость, соответствующая характери­стикам кривой, проходящей через точку О₃, образованную пе­ресечением кривой 1 и кривой, характеризующей зависимость ( 9 ).

ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ПОДЗЕМНОГО СТРОИТЕЛЬСТВА.

Основные научные принципы построения единой экологической концепции: экологическая надежность подземных сооружений, комфортные условия труда и отдыха в подземном пространстве, минимизация возможного ущерба от последствий возможных рисков, экологически безопасные технологии строительства, оздоровление экологической обстановки земельных территорий, сохранение окружающей среды. Установление и изучение закономерностей взаимодействия элементов в природно-технической геосистеме «породный массив – подземное сооружение – технология – окружающая среда».

Экологическая безопасность при освоении подземного пространства городов.

Основу этого направления составляют: исследования уровня экологической надежности подземного объекта; анализ источников, видов, характера воздействия подземных сооружений на массив и окружающую среду; выработка критериев экологического риска применений технологий строительства подземных объектов и прогнозирование их экологической опасности в процессе эксплуатации; разработка научных основ для принятия проектных решений строительной геотехнологии, повышающих уровень экологической безопасности.

Решение поставленных задач возможно только при комплексном подходе к изучению характера взаимодействия подземного объекта, массива вмещающих пород и окружающей среды, учету всех взаимовлияющих природных и техногенных факторов, оказывающих влияние на состояние природно-технической геосистемы «технология – подземное сооружение – окружающая среда».

Одним из значимых аспектов экологической безопасности подземного строительства является обеспечение экологической надежности подземных сооружений, которая напрямую связана с технологической, конструктивной и эксплуатационной надежностью. Основами обеспечения надежности несущих и ограждающих конструкций, технологической и эксплуатационной безопасности занимались многие ученые в России и за рубежом. Накоплен огромный научный потенциал, позволивший перейти к новому этапу развития Строительной геотехнологии. В частности, на основе установленныхвзаимосвязей между надежностью подземного объекта и параметрами микроклимата в подземных помещениях сформулировать требования к технологиям горностроительных процессов, обеспечивающим условия комфорта пребывания и труда людей в подземном пространстве.

Например, по микроклиматическим показателям все городские подземные сооружения можно подразделить на (табл. 5):

1. сооружения, предназначенные для выполнения легких физических работ: зрелищные, медицинские, административные, культовые, объекты связи, библиотеки и т.п.;

2. сооружения, предназначенные для выполнения работ средней тяжести: предприятия торговли, общественного питания, коммунально-бытового обслуживания, инженерно-транспортные и т.п.;

3. сооружения, предназначенные для выполнения тяжелых работ: объекты промышленности, энергетические и гидротехнические службы и т.п.;

4. подземные сооружения типа складов и холодильников: данные сооружения выделены в отдельную группу из-за необходимости поддержания практически одинаковой температуры и влажности в течение всего года.

Таблица 5

Категория сооружения	Период года	Требования
		Топт , ^0С	Тдоп , ^0С	Wопт^отн, %	Wдоп^отн, %	Vопт , м/с	Vдоп , м/с
1	Холодный Теплый	21-24 22-25	17-22 19-28	40-60 40-60	75 55-60	0,1 0,1-0,2	0,1-0,2 0,1-0,3
2	Холодный Теплый	17-23 20-23	13-23 15-27	40-60 40-60	75 65-70	0,2 0,3	0,3-0,4 0,2-0,5
3	Холодный Теплый	16-18 18-20	12-19 13-26	40-60 40-60	75 75	0,3 0,4	0,5 0,2-0,6
4	Холодный Теплый	-1-0	-	-	85-90	-	-

Примечание: Т_опт и Т_доп – оптимальная и допустимая температура воздуха в подземных помещениях, С; W_опт и W_доп – оптимальная и допустимая относительные влажности в помещения подземного сооружения, %; V_опт и V_доп – оптимальная и допустимая скорости движения вентиляционной струи воздуха в подземных сооружениях, м/с.

Данные табл. 5 могут служить исходными для оценки степени водопроницаемости городских подземных сооружений. Нормальные температурно-влажностные параметры в подземном сооружении могут быть обеспечены, в значительной степени, за счет его герметизации – высокой водонепроницаемости несущих конструкций. В свою очередь, безотказность работы несущих конструкций обязательно предполагает их устойчивость, а также оптимальный характер взаимодействия с массивом окружающих горных пород. Таким образом, экологическая надежность находится в неразрывной связи с надежностью несущих конструкций городских подземных сооружений и с технологической надежностью.

Надежность несущих конструкций включает в себя разделение на группы по признаками их устойчивости, водопроницаемости, взаимодействия с вмещающими породами. Проблема устойчивости несущих конструкций до недавнего времени рассматривалась лишь с позиций отдельного воздействия на один из элементов системы «подземное сооружение – массив вмещающих горных пород». Однако, например, водопритоки через обделку подземного сооружения разрушают несущие конструкции и создают неприемлемые микроклиматические условия для пребывания человека. Возникает вопрос не только о допустимой степени проницаемости этих конструкций и о влиянии процессов фильтрации на свойства материалов обделки и их устойчивость, но и о связи водопроницаемости несущих элементов со свойствами массива горных пород и т.п. Поэтому обеспечение экологической надежности городского подземного объекта должно основываться на комплексе защитных мер, направленных на вовлечение в работу, как соответствующих свойств самого подземного сооружения, так и породного массива и технологических приемов его строительства, поддержания и эксплуатации. Следовательно, надежность любого объекта подземного строительства подразумевает надежность системы «подземное сооружение – массив горных пород» в комплексе, а не по отдельным ее элементам.

Еще одним объектом изучения в рамках экологической безопасности при освоении подземного пространства является научное обоснование и научный подход к выбору экологически безопасных технологий подземного строительства.

При этом объект выбора должен представляться как неотъемлемая часть сложной динамической геосистемы «породный массив – технология – подземное сооружение», составляющие которой раскрываются при помощи структуризации элементов объектов выбора через классификационные признаки, характеризующие особенности условий существования системы с учетом значений параметров, определяющих ее безопасное состояние. Системный подход при этом подразумевает комплексный характер взаимовлияния всех факторов, характеризующих состояние системы в данный момент времени (рис. 2).

Рис. 2. Системный подход к выбору экологически безопасных технологий строительства подземного сооружения

Основу подобного подхода должны составлять выявляемые закономерности взаимодействия подземного сооружения с окружающей средой, а также многокритериальная эколого-экономическая оценка безопасного функционирования системы «породный массив – подземное сооружение».

Целевая функция выбора – разработка оптимальных сочетаний параметров, направленных на обеспечение безопасного и устойчивого функционирования системы в пределах ее жизненного цикла. Такая постановка предусматривает итерационное обращение к исходным данным о состоянии массива и к базе данных технологий строительства подземного сооружения. Особенностью итерационной процедуры является необходимость учета динамики влияющих факторов и прогнозирование последствий их воздействия на состояние системы «породный массив – технология – подземное сооружение» для принятия оперативных решений.

В качестве примера процесса выбора экологически безопасных технологий строительства городских подземных сооружений на рис.3. представлена возможная структурная модель.

РРис. 3. Структурная модель процесса выбора технологий

Цели, которые могут быть заложены в программе, следующие:

1. Минимизация вредного влияния на здоровье человека (например, загрязнение окружающей среды, количество несчастных случаев);

2. Минимизация дальнейшего сокращения ресурсов (например, сведение изменений в природной экологической системе до минимума);

3. Минимизация негативных изменений в системе «породный массив – подземное сооружение» (например, появление дефектов в обделке подземного сооружения);

4. Улучшение планировки и архитектуры районов города (например, сокращая применение открытых технологий строительства и увеличивая глубину заложения коммуникаций);

5. Максимизация экономической выгоды.

При управлении системой «породный массив – технология – подземное сооружение» необходимо, чтобы вариант решения по выбору технологии соответствовал динамике внешних условий, что дает возможность гибкого и своевременного реагирования на изменения элементов системы.

Знания, получаемые в результате проведения указанных исследований, служат для выработки критериев и основных принципов построения экологической концепции в подземном строительстве.

Единая экологическая концепция в подземном строительстве.

Концепция экологической безопасности при строительстве городских подземных сооружений опирается на следующие принципы:

• приоритет безопасности и сохранения здоровья людей при подземном строительстве;

• наличие приемлемого риска, в соответствии с которым устанавливают нижний допустимый и верхний желаемый уровни безопасности, а в этом интервале – приемлемый уровень безопасности и риска с учетом социально-экономических факторов;

• минимальная опасность при осуществлении основных технологических процессов, в соответствии с этим уровень риска устанавливается настолько низким, насколько это реально достижимо при выполнении работ по строительству подземного объекта;

• последовательное приближение к максимальной безопасности.

В той или иной степени принципы экологической безопасности в городах сформулировали такие ученые как Н.В.Демин, В.И.Осипов, В.А.Умнов, Э.Дж.Хенли, Х.Куамото, Дж.Диксон, В.Маршал и др. Однако в их исследованиях не учитывались важные аспекты градостроительства в условиях широкомасштабного освоения подземного пространства.

В новых условиях основополагающие принципы безопасности при освоении подземного пространства городов могут быть сформулированы следующим образом.

• Первый принцип – оправданность деятельности по управлению рисками, которая должна быть согласована со стратегической целью, формулируемой как стремление к созданию надежно функционирующей системы «массив – технология – подземное сооружение – окружающая среда» при следующем обязательном условии: подземное строительство не может быть оправдано, если эффект от освоения подземного пространства в данном районе города (региона, страны) в целом не превышает ущерба от строительства данного объекта для окружающей среды.

• Второй принцип –оптимизация защиты по критерию среднестатистической ожидаемой продолжительности жизни в обществе. Оптимальным считается вариант сбалансированных затрат на продление жизни за счет снижения уровня риска и выгоды, получаемой от освоения городского подземного пространства.

• Третий принципуправления риском состоит в том, что следует учитывать весь спектр существующих опасностей на любой стадии жизненного цикла подземного сооружения и вся информация о принимаемых решениях по управлению рисками должна быть доступна при разработке проектов подземного строительства.

• Четвертый принцип,касающийся экологических ограничений, заключается в учете требований о непревышении предельно допустимых экологических нагрузок на естественную экосистему и природно-техническую геосистему «массив – технология – подземное сооружение – окружающая среда». Принцип, по существу, состоит в том, что обеспечение безопасности человека, живущего сегодня, достигалось бы путем реализации таких решений, которые бы не подвергали риску способность природы обеспечить безопасность и потребности человека будущего поколения.

В соответствии с изложенными ранее принципами формируется одно из научных направлений экологической безопасности в подземном строительстве – общая стратегия управления рисками при строительстве городских подземных сооружений.

Стратегия управления рисками при строительстве городских подземных сооружений.

Вопросами формирования рисков занимались В.И.Данилов-Данильян, И.В.Петров, А.Т.Никитин, В.С.Деньга, А.А.Аверчиков, А.В.Полуторный, В.Л.Грошев, Э.А.Уткин, Г.А.Моткин, А.А.Гусев, В.И.Осипов, Ненад Н.Попович и др. Их работы посвящены исследованиям рисков в различных отраслях экономики.

Применительно к проблемам Строительной геотехнологии это новое направление исследований пока еще не получило должного развития. Результаты отдельных исследований изложены в работах Е.И.Куликовой, А.В.Корчака, А.Н. Левченко, Д.Г.Малюженца, Б.А.Картозия, В.Е.Меркина, М.Г.Зерцалова, Д.С. Конюхова.

Научные исследования в рамках этого раздела могут быть сгруппированы в четыре направления:

-моделирование взаимодействия подземного сооружения с окружающей средой;

-прогнозирование эксплуатационного состояния подземного сооружения по данным мониторинга природно-технической геосистемы;

-разработка механизма управления рисками на всех этапах жизненного цикла подземного сооружения.

Моделирование взаимодействия подземного сооружения с окружающей средой направлено на выявление динамических взаимосвязей между элементами природно-технической системы «технология – подземное сооружения – окружающая среда», дальнейшее прогнозирование критических ситуаций и определение таких значений параметров, которые характеризуют состояние системы как безопасное. Подход к моделированию поведения подземных сооружений должен основываться на том, что любой подземный объект рассматривается как один из составляющих элементов сложной природно-технической системы «породный массив – технология – подземное сооружение». Первый элемент (массив) находится в состоянии сложной динамичной взаимосвязи с третьим (подземным сооружением) элементом системы. Второй элемент (технология строительства сооружения) является связующим звеном между всеми элементами системы, во многом определяющим характер взаимодействия между ними и поведения системы в целом на период всего жизненного цикла подземного объекта. В силу постоянного изменения свойств и состояния отдельных элементов, а также характера их взаимодействия, система обладает ярко выраженной динамичностью. Поэтому моделирование такого взаимодействия должно основываться на данных многофакторного анализа. Основным элементом окружающей среды, испытывающим динамические изменения от функционирования системы является массив вмещающих сооружение пород. Опосредованно через массив это влияние передается и на другие компоненты природной экосистемы. Тогда состояние системы «породный массив – подземное сооружение» будет характеризоваться определенными параметрами, а ее безопасное состояние – сочетанием значений этих параметров.

Многочисленными исследованиями установлено, что основными факторами, определяющими состояние природно-технической геосистемы, являются тепловлажностные и фильтрационные воздействия, а также воздействия со стороны агрессивной среды. Именно эти воздействия способствуют развитию отказов и дефектов в обделках тоннеля, что снижает его техническую и технологическую надежность и наносит существенный урон окружающей среде. Поэтому моделирование динамики развития этих процессов и определение реальных значений параметров, поддержание которых обеспечивало бы безопасное функционирование системы и минимизацию ущерба для окружающей среды со стороны подземного объекта является весьма актуальной научной задачей строительной геотехнологии.

Анализ существующих подходов к выработке стратегии управления рисками при строительстве городских подземных сооружений показывает, что на современном этапе, в условиях признания стохастического характера взаимодействия элементов в системе «массив – технология – подземное сооружение – окружающая среда» и объективного действия комплекса рисков возникает круг проблем, связанных с практическим применением теоретических наработок для управления параметрами надежности природно-технической геосистемы. Для практического применения необходимо использовать методический инструментарий, включающий в себя методы и модели оптимизации, численные процедуры реализации методов, компьютерные программы и технологии выбора решений с учетом случайных факторов.

Базой для создания подобных моделей при подземном строительстве могут быть данные мониторинга природно-технической геосистемы. На основании данных мониторинговых исследований состояния природной среды в зоне влияния подземных сооружений формируется концептуальная модель, обоснованная комплексными критериями состояния природной среды, и включающая в себя функцию цели и систему следующих ограничений:

• Законодательно-нормативных, регулируемых значениями предельно допустимых концентраций (ПДК) загрязняющих веществ в водоемах, атмосферном воздухе, почве;

• Технико-технологических, обеспеченных методами инженерной защиты окружающей среды, наличием разработанных технологий или перспективных технических решений, оборудования и технических средств;

• Экономических, исходящих из существующих источников и объемов финансирования природоохранных мероприятий;

• Экологических, основанных на ликвидации источников опасности или минимизации последствий от рисковых случаев, если таковые все же произошли.

На заключительном этапе выработки стратегии управления рисками при строительстве городских подземных сооружений акцент должен быть перемещен на обоснование и разработку технических средств, схем, технологий и оборудования для инженерной защиты окружающей среды с учетом их взаимосвязи с проведенными ранее оценками факторов экологического воздействия; на формирование рекомендаций по комплексной системе защиты природной среды, предусматривающей меры по минимизации рисков на каждом этапе жизненного цикла подземного сооружения.

На основе всех изученных возможностей управления рисками разрабатывается механизм управления рисками при строительстве городских подземных сооружений при одновременном проведении их достоверных качественной и количественной оценок. Возможная структурная схема этого механизма показана на рис. 4.

Таким образом, научный подход к выработке стратегии управления рисками при строительстве городских подземных сооружений перерастает в проблему снижения и предотвращения экологической опасности, которая базируется на учете всех уровней горно-строительного производства, начиная со стадии получения геологической информации, прогноза, моделирования, составления проекта строительства и заканчивая выбором эффективных мероприятий инженерной защиты окружающей среды при эксплуатации подземного сооружения.

В дальнейшем научные исследования в области экологической безопасности подземного строительства могут быть сосредоточены на развитии методов геоэкологического мониторинга, комплексной безопасности подземных сооружений, эколого-аналитической системы моделирования подземных объектов строительной геотехнологии.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ПО ДИСЦИПЛИНЕ К ЗАЧЕТУ

1. Раскройте содержание научных терминов: Постулат, Аксиома, Гипотеза, Теория,

Эксперимент, Научное исследование, Наблюдение, Закон, Зависимость,

Закономерность

2. «Горное дело» и его современное понимание. Благодаря кому и чему

эволюционизировало это понятие?

3. Дайте определение горной науки «Строительная геотехнология» Главная цель,

задачи исследований.

4. Понятие «Наука» и ее главная цель и задача? В чем состоит особенность

фундаментальных исследований в сравнении с исследованиями прикладными?

5. Почему результаты фундаментальных научных исследований, как правило, не

могут быть напрямую внедрены в производство,

6. Какова роль научно - технической области деятельности в общем процессе

развития науки, техники и технологии?

7. Раскройте понятия: Горное дело, Строительная геотехнология, Освоение недр

Земли, Георесурсы, Подземное пространство, Освоение подземного

пространства.

8. Структура Строительной геотехнологии. Наименования и содержание ее

разделов.

9. Что такое «высокие технологии» и, в частности, применительно к подземному

строительству?

10. Что такое «инновационная деятельность» и «инновационные технологии»?

11. Какие закономерности и взаимосвязи изучает Строительная геотехнология?

12. Какие исследования составляют предмет экологической безопасности?

13. Как можно подразделить подземные сооружения по уровню экологической надёжности?

14. В чем состоит научный подход к выбору технологий строительства подземных сооружений с позиций экологической безопасности?

15. Какие цели закладываются в программе по выбору экологически безопасных технологий?

16. Охарактеризуйте принципы, на которые опирается концепция экологической безопасности при строительстве городских подземных сооружений.

17. Охарактеризуйте основополагающие принципы безопасности при освоении подземного пространства городов.

18. Какие разделы выделяют в рамках раздела «Стратегия управления рисками при строительстве городских подземных сооружений»?

19. Каким образом осуществляется стратегия управления рисками в городском подземном строительстве?

20. Какие основные закономерности необходимо учитывать при изучении природно-технической геосистемы «породный массив – технология – подземное сооружение – окружающая среда»?

ПРИМЕРНЫЕ ТЕМЫ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ ТВОРЧЕСКОЙ РАБОТЫ СТУДЕНТОВ

РЕФЕРАТЫ.

1. Поиск в научных работах (монографии, статьи, интернет) установленных зависимостей, закономерностей и самостоятельная их словесная интерпретация

2. Раскройте тему: В чем ограниченность существовавшего ранее понимания Горного дела применительно к современному этапу его развития. Как и благодаря кому эволюционировало это понятие?

3. Почему, по вашему мнению, результаты фундаментальных научных исследований, как правило, не могут быть напрямую внедрены в производство?

4. Что такое «инновация» и «инновационные технологии»? Поясните на конкретном примере, в чем разница между новой технологией и инновационной?

5. Проведите мысленное моделирование. Выберите предмет исследований, придумайте вид условно полученных зависимостей и составьте научное положение, используя приведенный в конспекте алгоритм.

6. Выберите по своему усмотрению математическое выражение геомеханической зависимости и исследуйте степень влияния учтенных в ней факторов. Например, влияние деформационных характеристик на величину смещений пород на контуре выработки. Или, влияние прочности пород и глубины залегания выработки на размеры области разрушения массива и т.п.

РАЗРАБОТКА ДИНАМИЧЕСКИХ СЛАЙДОПРЕЗЕНТАЦИЙ 1. Графическая интерпретация научных понятий и определений (на выбор)

2. Графическая интерпретация зависимостей и закономерностей (на выбор)

3. Графическая интерпретация процесса потери устойчивости пород горной

выработки

4. Графическая интерпретация выбора оптимальной податливости крепи

5. Дайте последовательное графическое раскрытие структуры Строительной геотехнологии.

6. Отразите графически содержание комплексного решения проблемы «Освоения подземного пространства». Какие вопросы решает каждая из наук, приведенных в таблице 4 конспекта.