О новом направлении научных исследований в строительной геотехнологии

УДК 69.035.4

А.Н. Левченко

О НОВОМ НАПРАВЛЕНИИ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ В СТРОИТЕЛЬНОЙ ГЕОТЕХНОЛОГИИ

Глобальный интерес к проблеме освоения подземного пространства и успехи, достигнутые в практическом решении этой важной для общества проблемы способствовали активизации исследований в области методологии горных наук. Крупным результатом теоретических исследований, проведенных во второй половине 90-х годов, явились современная концепция освоения и сохранения недр и новая классификация горных наук [5].

На основе анализа эволюции и состояния горных наук определен новый предмет исследований - техногенно преобразуемые недра Земли. Выдвинуто и обосновано представление о естественно-научном содержании горных наук как системы знаний о способах и закономерностях управляемого техногенного преобразования недр. При этом рациональное использование и сохранение георесурсов обуславливаются взаимосвязями горно-геологических условий, техногенных процессов и последствий освоения недр для природы и общества. Принятая новая классификация горных наук стала основной методической базой при проведении исследований во всех областях горных наук, при разработке проектных и нормативных материалов. В соответствии с новой классификацией, Строительная геотехнология осуществляет на-

учное обеспечение проблемы освоения подземного пространства как специфического георесурса недр.

Акад. В.В. Ржевский первым из ученых - горняков сумел преодолеть стереотип в подходе к определению понятия "горное дело” и разработал классификацию горных наук, включающую все основные элементы освоения недр Земли. Он, в частности, впервые ввел термин "строительная горная технология" и обозначил им горную науку, главной задачей которой является обеспечение исследованиями проектирования, строительства и реконструкции горных предприятий по добыче полезных ископаемых и подземных сооружений различного функционального назначения. Предложенный термин полностью отвечает научному содержанию технологии в современном ее понимании: выявления физических, химических, механических и других закономерностей с целью определения и использования на практике наиболее эффективных и экономичных производственных процессов.

Весомый вклад в развитие науки «Строительная геотехнология» внес проф. Б.А. Картозия. Его научные исследования привели к развитию научного направления - комплексного освоения подземного пространства недр, отличительной особенностью которого является принцип приори-

тетности уровня комфортности труда и отдыха человека при строительстве и эксплуатации подземных сооружений различного назначения, гарантирующий улучшение экологических и социальных условий проживания в крупных городах и промышленных районах.

Практическое освоение подземного пространства в глобальном масштабе неизбежно способствовало интеграции различных научных разделов и направлений, обеспечивающих своими знаниями проектирование, строительство и эксплуатацию подземных сооружений различного функционального назначения.

Таким образом, были созданы объективные условия для окончательного становления самостоятельной горной науки - строительной геотехнологии. Структура строительной геотехнологии представлена четырьмя основными разделами.

Первый научный раздел - подземная урбанистика объединяет вопросы методологии проектирования подземных сооружений. К ним относятся исследования и обоснование социально-экономической целесообразности и технической возможности строительства подземных сооружений, их месторасположения, а также, объемно-планировочных и архитектурных решений подземного объекта, в зависимости от его функционального назначения, горно-геологических условий строительства, влияния технологии строительных работ и т.п. Одним из научных направлений данного раздела является обоснование стратегии и методов освоения подземного пространства в том числе, при утилизации и повторном использовании подземных объектов. Следует также отметить, что именно этот раздел строительной геотехнологии является связующим между горными и строительными науками.

Содержанием второго научного раздела - механики подземных сооружений являются: оценка устойчивости горных выработок; исследование процессов взаимодействия инженерных конструкций с породными массивами и установление качественных и количественных характеристик их напряженно - деформированного состояния; изучение закономерностей формирования нагрузок с учетом влияния горного и гидростатического давления, сейсмического воздействия, температуры окружающей среды, влияния технологии ведения горно-строительных работ; обоснование новых материалов, рациональных типов инженерных конструкций (крепи, обделки, породные конструкции, арми-ровка стволов) и разработка новых методов расчета их прочности, устойчивости и долговечности.

Третий научный раздел - геоника включает исследования взаимосвязей элементов технологии горно-строительных работ, установление качественных и количественных параметров, определяющих выбор способов, техники и технологии строительства; эффективных методов организации труда и управления работами по строительству одиночных горных выработок и их комплексов обычными и специальными способами, а так же горнотехнических зданий и сооружений на поверхности; исследования и обоснование схем и способов технологии ремонта, реконструкции и восстановления подземных сооружений с целью увеличения срока их службы или повторного использования в новом качестве.

Четвертый научный раздел строительной геотехнологии - управление состоянием массива изучает комплекс вопросов, связанных с исследованиями и обоснованием методов и способов подготовки массива горных

пород при строительстве, реконструкции и восстановлении подземных сооружений в сложных горно-геологических и горнотехнических условиях (замораживание, химическое укрепление, тампонаж, водопонижение, осушение, разупрочнение пород и др.).

Развитие цивилизации сопровождается дальнейшим расширением инфраструктуры и ростом народонаселения, что неизбежно ведет к сокращению неосвоенных городских территорий и изысканию новых мест для размещения производственных, социальных и иных объектов человеческой деятельности. Опыт проектирования и строительства городов-мегаполисов свидетельствует о том, что решение широкого круга социально-экономических, архитектурно-планировочных и экологических задач неотделимо не только от рационального использования наземных городских территорий, но и от планомерного и комплексного освоения подземного пространства городов, где целесообразно размещать сооружения различного назначения.

Подземное пространство мегаполисов является средой, создаваемой человеком в процессе организации подземного строительства с целью решения неотложных проблем развития городов.

Закономерности, характеризующие взаимосвязь организации освоения подземного пространства со свойствами недр, особенностями проектирования подземных сооружений в мегаполисах с учетом промышленной безопасности и экологических аспектов освоения недр, архитектуры подземного пространства составляют теоретические основы методологии проектирования освоения недр и стратегии освоения подземного пространства. Эта методология вместе с организа-

ционно-технологическими схемами и менеджментом составляют, в совокупности, научные основы организации освоения подземного пространства мегаполисов.

Методология проектирования и строительства подземных сооружений (и не только подземных) прежде всего, в части архитектурно - планировочных решений и безопасности ведения горностроительных работ, нуждается в дальнейшем совершенствовании.

Катастрофы, свидетелями которых мы являемся в последнее десятилетие, вызванные с одной стороны ошибками при проектировании, несовершенством существующих технологий, а с другой, непредсказуемыми ситуациями, выдвигают на передний план необходимость решения актуальной экономико-социальной проблемы которую можно кратко сформулировать как «жизнестойкость объекта в экстремальных и чрезвычайных ситуациях».

Городское подземное строительство характеризуется динамизмом и высокой степенью неопределенности, поэтому фактор риска - неотъемлемый атрибут освоения подземного пространства.

Ёюбой вид деятельности, осуществляемый человеком в рамках конкретной природно-технической геосистемы, несет в себе те или иные риски, которые при определенных условиях проявляются и могут иметь негативные последствия для всей системы в целом либо её структурных составляющих.

Знания о риске нужны сегодня всем: строителям, проектировщикам, бизнесменам, спасателям, экологам и др. Однако каждый, кто использует это многоаспектное понятие приносит в него определенную частицу той или иной профессиональной деятель-

ности и личностного представления. Риск может возникнуть только там, где есть деятельность [7].

Любая человеческая деятельность сопряжена с риском, то есть согласно энциклопедическому определению с возможной опасностью. В горном деле, реализация технического проекта всегда связана с определенными рисками. Первая попытка полной классификации рисков в городском подземном строительстве сделана в работе [2]. Целью классификации является систематизация типов рисков по ряду признаков, которая способствовала бы ранжированию рисков в городском подземном строительстве, выявлению слабых мест в системе «человек - подземное сооружение - окружающая среда» и, тем самым, давала бы основу для дальнейшей разработки экологически безопасных технологий и способов строительства с наибольшим экономическим эффектом. Только при учете взаимодействия и взаимовлияния всех природных, технических, технологических и иных факторов возможна минимизация негативных последствий подземного строительства.

Все риски подразделяются на 8 групп: строительные, экологические, управленческие и исполнительские, коммерческие, экономические, контрактные, социальные и эксплуата-циионные.

В городском подземном строительстве доминирующим с позиций влияния на весь жизненный цикл подземного сооружения является строительный риск. Этот риск тем выше, чем ниже требования к квалификации персонала, качеству и срокам строительства, надежности горнопроходческого оборудования и др. Неправильные строительные решения являются базой для возникновения эколо-

гических, экономических, эксплуатационных и др. рисков.

Поэтому основным принципом, заложенным в исследования по совершенствованию методов проектирования и строительства объектов любого функционального назначения, должен стать принцип минимизации ущерба от последствий негативных проявлений указанных рисков.

В этой связи весьма актуальными становятся исследования поведения природно-технической геосистемы «подземное сооружение - окружающая среда» в условиях воздействий самого неблагоприятного сочетания негативных факторов: внешних и

внутренних статических и динамических нагрузок, всевозможных техногенных воздействий внутри подземного сооружения, вредных природных проявлений со стороны массива горных пород и т.п.

Как показывает практика, в основу концепции безопасности часто закладывают принцип «нулевого риска», однако многочисленные аварии и катастрофы последних десятилетий на объектах подземного строительства, показывают, что такая концепция неадекватна законам развития природно-технической геосистемы «подземное сооружение - геологическая среда». Эти законы имеют вероятностный характер, и возможность аварий и катастроф всегда существует. Нулевая вероятность аварии достигается лишь в системах, лишенных запасенной энергии, химически и биологически активных компонентов. Исходя из этого, применительно к городскому подземному строительству практикуется концепция «приемлемого риска», позволяющая использовать принцип предвидения и прогнозирования возможного рискового события.

При этом под приемлемым риском понимается риск, обладающий ниж-

ним и верхним расчетными уровнями безопасности с учетом социальноэкономических, экологических и технологических факторов и представляющий определенный компромисс между реальным уровнем риска и возможностями его достижения, компромисс между уровнем безопасности и возможностями ее достижения [2].

Эффективный подход к решению этой сложной технико-экономической проблемы основан на изучении методологии управления рисками.

Процессы проектирования и строительства тесно связаны с необходимостью объективных представлений о возможных рисках, их последствиях и возможном материальном и другом ущербе.

Проблемы, связанные с риском у производителя работ возникают уже на стадии заключения договора-подряда на строительство, так как подписание контрактов практически по любым проектам в условиях рыночных отношений требует гарантий на их реализацию. Опыт показывает, что недоучет рисковой ситуации из-за недостаточной информации, полученной на стадии изысканий об условиях строительства, в реальности может увеличить сроки выполнения и стоимость в несколько раз по отношению к планируемым. С другой стороны, та же недооценка заказчиком роли изыскательских работ, позволяет подрядчику при подписании контракта завышать уровень риска, зачастую подменяя недостатки технологии и низкий уровень организации работ ссылками на непредвиденные обстоятельства. Таким образом, с одной стороны, имеет место недоучет уровня риска, а, с другой стороны, - его завышение. Такая практика в обоих случаях ложится тяжелым бременем на плечи налогоплательщиков. При реализации крупных проектов цена

принимаемого решения очень велика. И, хотя риск в подземном строительстве всегда существовал, и будет существовать, он должен и может быть заметно снижен [6].

В связи с вышеизложенным, научное обоснование и разработка методов управления рисками в подземном строительстве, с целью предотвращения или локализации их негативных проявлений и повышения жизнестойкости сооружений в экстремальных и чрезвычайных ситуациях, является научной проблемой, имеющей важное народнохозяйственное значение для строительной индустрии.

Управление рисками - это выбор вариантов стратегии и тактики действий (применительно к подземному строителъству-конструктивных решений, технологии и организации работ), позволяющих частично или полностью избегать рисков, ограничивать их численность и, в конечном итоге, сводить к минимуму ущерб от их негативных проявлений.

Однако, одно дело, риск явно ожидаемый. Например, хорошо известно, что строительство тоннелей метрополитена в пойме Москвы-реки связано с риском подтопления выработок, или, что некачественное выполнение работ по креплению может привести к разрушению объекта. Такой риск ожидаем и задача управления в данном случае сводится если не к полной, локализации его негативного проявления, то к ослаблению, путем применения различных специальных способов, более тщательного учета нагрузок при расчете крепей, применении более совершенных методов расчета и т.д. К такому риску, лучше или хуже, но готовятся заранее, путем проектных проработок в части специальных способов, выбора соответствующих конструкций, технологий и т.п. По-

добные риски следует относить к категории экстремальных ситуаций.

Вместе с тем, есть категория рисков, проявление которых характеризуется малой степенью ожидаемо-сти, но с крайне тяжелыми последствиями. Примерами могут служить затопление строящихся тоннелей метро в Москве, на тогда еще Ждановской ветке или последняя крупная авария в действующем перегонном тоннеле Санкт-Петербургского метрополитена. О принципиальной возможности подобных аварий известно, но ни в проектном, ни в технологическом отношении к ним не готовы. Причины здесь видимо больше экономического характера. Подобные риски на наш взгляд следует относить к категории чрезвычайных ситуаций.

Методы управления подобными рисками еще не получили достаточного развития. есть попытки заблаговременного и текущего контроля ситуации (мониторинг), но они, как правило, малоэффективны.

Проблема рисков особенно актуальна в подземном строительстве, так как там мы имеем дело со скрытыми горными работами, то есть недоступными для контроля простыми визуальными методами.

Каждое из известных нам негативных проявлений (рисков) окружающей среды, как внешней для объекта, так и внутренней, характеризуется своей природой, закономерностями развития, интенсивностью негативного проявления и уровнем наносимого ущерба.

Поэтому, все возможные риски должны быть классифицированы по критериям, позволяющим еще на стадии проектирования строительных конструкций и технологии горнопроходческих работ предусмотреть меры по предотвращению их реализации

или частичной локализации с целью минимизации ущерба.

Имея такую классификацию, можно будет адекватно систематизировать технические решения в части строительных конструкций и технологии ведения работ, выбирая наиболее безопасные из них в зависимости от комбинации рисков в каждом конкретном случае. Чем большее количество рисков различных категорий будет охвачено, проанализировано и дана техническая, экономическая и социальная оценка возможных последствий их реализации, тем надежнее будут технические решения призванные обеспечить безопасность объекта на период строительства и эксплуатации, то есть эти технические решения позволят предотвратить аварию или катастрофу а, в крайнем случае, существенно снизить наносимый ими ущерб.

Выбранные на основе сформулированного подхода проектные и технологические решения предлагается называть рискоуправляемыми.

Развитие исследований по обоснованию и выбору рискоуправляемых технологий горностроительных работ при освоении городского подземного пространства послужат базой для создания научных основ предотвращения аварийных ситуаций или существенного ослабления их негативных последствий в подземном строительстве.

Выработка концептуальных представлений о риске, огромная потребность в анализе, диагностировании, прогнозировании, программировании и планировании риска при строительстве подземных сооружений предопределили рождение нового раздела строительной геотехнологии - строительная георискология [2].

В этом направлении первые, результаты опубликованы представите-

лями научной школы Московского государственного горного университета Б.А. Картозией, Л.Г. Малю-женцем в статье «Решение проблемы риска в подземном строительстве на основе внедрения оперативного контроля качества скрытых работ», Е.Ю. Куликовой, А.В. Корчаком и

1. Картозия Б.А., Корчак A.B., Мельникова С.А. Строительная геотехнология -М.: Изд-во МГГУ 2003, 230 с.

2. Куликова Е.Ю., Корчак A.B., Левченко А.Н. Стратегия управления рисками в городском подземном строительстве - М.: Изд-во МГГУ, 2005, 207 с.

3. Левченко А.Н., Лернер В.Г., Петренко Е.В., Петренко И.Е. Организация освоения подземного пространства. Свершения и надежды. - М.: ТИМР,2002, 406 с.

4. Петренко Е.В. Перспективы повышения надежности строительства подземных

A.Н. Левченко в монографии «Стратегия управления рисками в городском подземном строительстве», а также в монографии А.Н. Левченко,

B.Г. Лернера, Е.В. Петренко, И.Е. Петренко «Организация освоения подземного пространства. Свершения и надежды».

-------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

сооружений. М, Метро и тоннели, № 3, 2006, с. 24.

5. Горные науки. Освоение и сохранение недр Земли. Под ред. К.Н. Трубецкого. - М.: Изд. АГН. - 1997, 478 с.

6. Картозия Б.А., Малюженец Д.Г. Решение проблемы риска в подземном строительстве на основе внедрения оперативного контроля качества скрытых работ. Материалы Недели горняка. 1998

7. Буянов В.П., Кирсанов К.А., Михайлов Л.М. Рискология (управление рисками) - М.: Изд. Экзамен, 2003, 384 с.

— Коротко об авторах--------------------------------------------------------

Левченко Александр Николаевич - профессор, кафедра «Строительство подземных сооружений и шахт» Московского государственного горного университета.

---------------------------------- ДИССЕРТАЦИИ

ТЕКУЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ЗАЩИТАХ ДИССЕРТАЦИЙ ПО ГОРНОМУ ДЕЛУ И СМЕЖНЫМ ВОПРОСАМ

Автор Название работы Специальность Ученая степень

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГОРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

КОЖИЕВ Хамби Хадзимурзович Научное и технологическое обоснование системы управления качеством руд при подземной добыче 25.00.22 д. т.н.