Методология проектирования подземных сооружений

СИМПОЗИУМ «СОВРЕМЕННОЕ ГОРНОЕ ДЕЛО: ОБРАЗОВАНИЕ, НАУКА, ПРОМЫШЛЕННОСТЬ»

ПОСВЯЩАЕТСЯ ПАМЯТИ АКАДЕМИКА ВЛАДИМИРА ВАСИЛЬЕВИЧА РЖЕВСКОЮ

29.01.06 - 2-02.96 г

Е. В ПЕ ТРЕНКО. И.Е. ПЕТРЕНКО

Академия горных наук

Методология проектирования подземных сооружений

Методология проектирования подземных сооружений является учением о методах, приемах и операциях для проектирования этих сооружений на основе достижений науки и техники с целью рационального использования подземного пространства.

Потребность в исследовании методологии проектирования подземных сооружений возникла совсем недавно в связи со все возрастающим интересом в мире к освоению подземного пространства недр Земли [2], [27] и необходимостью экологической безопасности их освоения [25]. Методология проектирования подземных сооружений становится важнейшим научным направлением новой науки-теории проектирования освоения недр.

Стержневая идея доклада о сущности методологии проектирования подземных сооружений состоит в том, что к сегодняшнему дню уже имеются методы, принципы и подходы, применение которых обеспечивает повышение качества проектов подземных сооружений и,тем самым, являются крупным вкладом в развитие методологии проектирования подземных сооружений, в качестве составной части теории проектирования освоения недр с целью обеспечения перспектив дальнейшего освоения подземного пространства, экологически безопасного использования недр как элемента среды выживания человека.

В настоящем докладе упор делается на прикладное значение методологии проектирования подземных сооружений

как фрагмента единого процесса освоения подземного пространства [22], [23].

Хотя этот доклад написан, в основном, по материалам наших опубликованных работ, он представляет собой самостоятельное и законченное сочинение, обладающее определенной внутренней логикой.

В этом докладе хотелось не только сообщить кое-какие научные факты, но заинтересовать слушателей кругом про-блем методологии проектирования подземных сооружений и позволить им проникнуть в сущность методологии проектирования геосистемы с целью использования подземного пространства.

Вопрос о методологии освоения подземного пространства все еще остается дискуссионным, поскольку существуют различные мнения об объеме и структуре этого понятия, с которым иногда связывают способы проектирования и строительства подземных сооружений, методы освоения подземного пространства для целей, не связанных с добычей полезных ископаемых, но чаще ограничивают значение методологии освоения подземного пространства принципами и подходами к использованию подземного пространства.

Понятие методология освоения подземного пространства для целей, не связанных с добычей полезных ископаемых, имеет как бы несколько уровней: - можно употреблять это понятие для обозначения особенностей, присущих подземному строительству, как общности системы творческих приемов и методов исследо-

ваний для проектирования и строительства подземных сооружений, обусловленных единством методологии горных наук [1-5]; - основное содержание этого понятия характеризуется строительной геотехнологией как составной частью комплекса горных наук и ее ролью в решении проблемы освоения подземного пространства [6]. Строительная геотехнология представляет совокупность знаний о подземных сооружениях в массиве горных пород, технических, экономических и организационных взаимосвязях технологических процессов при их строительстве, реконструкции, и восстановлении. В область исследований строительной геотехнологии включается обоснование и разработка методов проектирования и расчета конструкции подземных сооружений, а также методов оценки их надежности и долговечности.

В методологическом отношении строительная геотехнология находится еще в стадии становления.

Природно-технологические системы использования подземного пространства (геосистемы) различаются по пространственному положению (заглубленные и подземные), а также по соотношению "природных" и "технологических1' элементов и назначению - на инженерностроительные, резервационные и захоро-нительные [3].

Анализ ряда работ отечественных [1], [7], [10] и зарубежных специалистов [8], [9] показывает, что методология проектирования подземных сооружений должна включать по крайней мере:

- основные сведения о принципах и видах проектирования;

- творческий процесс проектировщиков и техническое творчество;

- методы инженерного проектирования;

- модели процесса проектирования подземных сооружений как развивающихся геосистем;

- основы системного проектирования объектов строительства;

- моделирование проектных решений;

- выбор концептуальных решений;

- основы методологии проектирования и конструирования;

- выбор эффективных проектных решений в строительстве.

Из этого перечня составных частей методологии проектирования подземных сооружений становится понятным, что методология, в основном, отвечает на вопросы каким образом осуществлять проектирование, на каких принципах, какими методами и каким образом выбирать эффективные проектные решения, однако при этом следует отметить, что методологии в указанном составе совершенно недостаточно, для проектирования подземных сооружений и организации их строительства. Потребуются знания, необходимые для выбора технологических, архитектурных, конструктивных и объемно-планировочных решений с учетом горногеологических условий строительства подземных объектов.

Методология проектирования подземных сооружений должна также включать и другие вопросы о том, как рассчитывать крепи подземных горных выработок, каким образом и на каких принципах выбирать способы строительства объектов с учетом свойств пород и условий строительства, как проводить менеджмент в подземном строительстве, каким образом осуществлять выбор архитектурных и объемно-планировочных решений и каким образом производить оценки основных качеств подземных сооружений и исследовать технико-экономическую целесообразность строительства подземных сооружений [22], [23], [24].

По-видимому главная задача методологии проектирования геосистем заключается в правильной постановке вопросов стратегии освоения недр, в использовании подземного пространства. Очень важно познать и освоить методы освоения подземного пространства и способы строительства подземных сооруже-

ний с учетом условий строительства [27]. Самое удивительное состоит в том, что ответы, даваемые наукой, не могут быть отделены от нее самой. Они не абсолютны и утрачивают ценность, когда выдвинувшая их методология сменяется новой. Это очень хорошо видно на примере проектирования защитных сооружений и объектов гражданской обороны при военной доктрине б. СССР в период великого противостояния двух военных блоков. Теперь имеется новая военная доктрина, а стало быть и методология проектирования защитных объектов. Теперь приходится размышлять о том, что же делать с ранее построенными подземными сооружениями гражданской обороны и каким образом можно их использовать в современных условиях.

Подобное положение и с новоавстрийским способом строительства подземных горных выработок больших сечений. В этом случае новые принципы и подходы к управлению поведением вмещающих горных пород на основе мониторинга позволяют применять практически во всех условиях легкие и эффективные крепи из набрызгбетона в сочетании с сеткой или анкерами, или с металлической фиброй [17].

Принципы проектирования подземных сооружений.

Известно, что свойства недр Земли характеризуются единством в совокупности развивающейся системы, где постоянно происходят фазовые переходы с выделением огромной энер-

гии(землетрясения, обвалы, горные удары, провалы, сдвижения и т.п.). В этих условиях проектирование подземных сооружений осуществляется как процесс создания развивающейся геосистемы, с одной стороны, и как процесс, постоянной переработки информации и принятия решений, генерирования и оценки инженерных решений с учетом особенностей строительства и эксплуатации подземных сооружений, с другой стороны. При этом необходимо производить оценку возмож-

ных последствий строительства подземных сооружений и его влияния на окружающую среду и экономику региона.

В процессе строительства подземного сооружения с использованием современных подходов и методов менеджмента создается с помощью строительной системы подземный объект как многофункциональная, интегральная геосистема для улучшения инфраструктуры и повышения качества жизни людей [24].

Методология проектирования подземных сооружений должна также позволить оценить особенности и свойства пород и участка недр для строящегося объекта с целью выбора:

- места размещения подземных сооружений [11];

- определения функций и технологических процессов подземного объекта, его архитектурных, объемно-планировочных и конструктивных решений;

- технологии строительства подземного сооружения.

Методология проектирования подземных сооружений необходима для:

- определения расчетной стоимости и сроков строительства;

исследования технико-эконо-мической целесообразности строительства подземного сооружения с учетом возможных рисков;

- оценки технического и экономического уровня проекта, оценки его качества и соответствия проекта современным нормам и требованиям.

Разработка проектов подземных сооружений, а затем строительство по ним объектов осуществляется соответственно проектными и строительными организациями по заданию заказчика в соответствии с действующими строительными нормами и правилами [СН и П], техническими условиями, инструкциями , руководствами и другими действующими нормативными документами.

Учитывая, что тоннель является элементом железной или автомобильной

дороги, проект тоннеля разрабатывается как часть проектной магистрали.

При проектировании тоннелей и других подземных сооружений стали более полно учитывать климатические, сейсмические, топографические и инженер-но-геологические условия. Выработаны и применяются решения, повышающие надежность эксплуатации тоннелей, построенных в сложных условиях.

Для выбора и обоснования вариантов трасс тоннельных переходов в последние годы широко используется космическая фотосъемка [12], позволяющая выявлять тектонические разломные зоны.

Разработка проектов линий метрополитена в нашей стране ведется на основе генеральной схемы развития общественного транспорта городов, в которой с учетом развития города и его застройки даются принципиальные направления будущих линий метрополитена, протяженность, места расположений станций, депо и т.п.

Проектирование строительства подземных сооружений должно проводиться на основе комплексного подхода к четырем взаимоувязанным проблемам: инже-нерно-геологической, горно-

технологической, конструкционной и обеспечения устойчивости сооружений во время их эксплуатации [13]. В этом случае представляется возможным выявить все факторы для максимально возможного использования несущих свойств породного массива, передовой технологии и техники с учетом специфики конструкции и его последующей эксплуатации.

В современных проектах подземных сооружений целесообразно предусматривать систему управления массивом горных пород на основе снижения горного давления путем опережающей отработки верхних шахтных полей или создание искусственных полостей в массиве горных пород; использования закладки; комуф-летного взрывания, выбора размеров и формы сечения горных выработок путем придания им наиболее устойчивой формы

сечения, проходки специальных разгрузочных щелей, выбора оптимального ведения горных работ, оптимизации расположения подземных горных выработок и направления их проходки с учетом естественного поля напряжений в нетронутом массиве пород и степени их удароопас-ности.

Взаимосвязь техники, технологии и гео механического состояния окружающего массива обуславливает необходимость научно-обоснованного подхода к проектированию производства горнопроходческих работ. Основные научные положения и инженерные принципы, которыми следует руководствоваться при этом, представлены на рис.1.

Как известно, новое время диктует необходимость решения новых вопросов. Поэтому в проектах требуется разработка специальных мер защиты и устойчивости подземных сооружений (например, прорыв подземных вод и угроза затопления объекта, пожарным выделением большого количества газов в замкнутом пространстве, разрывы главных паротрубо-проводов на электростанциях и т.п.).

При проектировании подземных сооружений необходимо учитывать блочную структуру породного массива и его остаточную прочность. Такие свойства горного массива как его "пластичность" (способность к необратимым деформациям) и ползучесть, релаксация (изменение механических свойств и состояния во времени), необходимо связывать с особенностями поверхностных контактов блоков и структур, т.е. с остаточной прочностью и изменением этой прочности во времени. Свойство остаточной прочности породного массива необходимо использовать для уменьшения затрат на крепление и поддержание горных выработок в рабочем состоянии [26].

В проектах строительства подземных сооружений целесообразно применять высокие технологии строительства: щитовые проходческие комплексы, новоавстрийский способ проходки подземных

горных выработок, химическое укрепление грунтов, мониторинг вмещающих пород, нагнетание цементно-песчаного раствора в напластовании между фундаментами защищаемых сооружений на поверхности и шелыгой свода выработки с целью предотвращения оседания земной

Научно-инженерные принципы проектирования производства горно-проходческих работ

Научные принципы

И

__I

Научное сопровождение этапов инженерных изысканий,проектирования производств горнопроходческих работ

Максимальное использование несущих свойств скального массива

Использование принципов технологии разработки месторождений полезных ископаемых

Оптимизация технологиче-: ских процессов производства горно-проходческих : работ

Направленное изменение ; напряженного состояния | массива пород вокруг со- | оружений

Автоматизация процесса проектирования производства горно-проходческих работ

Инженерные принципы

Технология

Организация скоростных проходок разведочных и подходных выработок

Широкое применение метода контурного взрывания

I Использование об-| легченных видов кре-: пей

\

I

Применение массовой! отбойки пород с по- | мощью глубоких скважин

Переход на одностадийную разработку ядра сооружений

| Применение системы I подземной разработ-| ки маломощных и ! жильных месторождений полезных ископаемых

1

Оборудование

1 Использование высокопро-' изводительного отечественного и импортного оборудования на электрогидравли-ческом приводе

I

Применение мощного самоходного оборудования при выемке породы внутри сооружений

Использование рудничного : электровозного транспорта ! по кольцевой схеме откатки |

Рис. 1 Основные научные положения и инженерные принципы

поверхности по мере разупрочнения и деформирования народного массива в процессе' проходки подземных горных выработок [17].

В проектах подземных сооружений необходимо учитывать закономерности освоения подземного пространства [22], совершенствования объемно-

планировочных, конструктивных и архитектурных решений [23], [24].

Особое внимание теперь следует уделять созданию подземных сооружений нового поколения, для чего в проектах таких объектов следует предусматривать не только высокие технологии, но и запоминающийся архитектурный облик, создание безопасной световой и комфортной среды для проживания человека в подземных условиях.

Усложняются системы подземных сооружений и построены уже совершенно уникальные подземные объекты типа Ла-Маншского подземного железнодорожного перехода.Поэтому нужна новая методология их проектирования и строительства на основе достижений менеджмента, системного концептуального подхода и хорошо аргументированной стратегии освоения подземного пространства. Эффективность проектирования подземных сооружений можно повысить за счет технического творчества и системного проектирования [1].

Подземные сооружения достигли уровня сложных интеллектуальных систем и необходимы для изменения качества жизни людей на основе использования различных свойств недр, высоких технологий и стратегии освоения подземного пространства. Все чаще подземные сооружения представляются как пространственные многофункциональные структуры (многоцелевые околостволь-ные дворы, утилидоры,подземные города и пересадочные комплексы) [24].

Оценка качества проектов подземных сооружений

Возрастающие ресурсы государств, достижения в науке, технике и технологии подземного строительства позволяют в настоящее время в огромных масштабах вести строительство гидростанций в разных странах, создавать линии метрополитена нового поколения, строить тоннель под проливом Ла-Манш, возводить огромные канализационные системы в городах, а также в огромных масштабах осуществлять использование подземного пространства крупных городов. Отсюда становится понятной трудность оценки качества таких сложных и крупных проектов подземных сооружений и необходимость создания методики комплексной оценки качества проектов подземных сооружений.

Допускаемые просчеты в проектировании и строительстве подземных сооружений в значительной мере обусловлены отсутствием совершенных методов оценки качества проектов подземных сооружений, относящихся к сложным системам.

Постоянные размышления о зарубежном опыте строительства подземных сооружений и горнодобывающих предприятий позволяют увидеть, что свойства подземных сооружений являются периодической функцией свойств горных пород и горногеологических условий строительства, архитектурных решений, технологии и организации подземного строительства.

Это очень заметно уже сегодня при строительстве подземных сооружений нового поколения, позволяющих за счет этих свойств и структуры подземных объектов обеспечить качественно новый уровень жизни людей.

Повышение эффективности и качества проектов подземных сооружений на основе оценки совокупности качества проекта подземного сооружения путем анализа многомерного вектора оценок технического и экономического уровня проекта подземного объекта как сложной системы, а также путем определения сте-

пени соответствия проектов основным достижениям науки и техники, нормам технологического проектирования подземных сооружений, правилам безопасности, строительным нормам и правилам.

Методы оценки качества проектов подземных сооружений позволяют улучшить процесс экспертизы этих проектов и анализа наиболее существенных особенностей и свойств проектов подземных сооружений, выявить их резервы и недостатки, определить технический и экологический уровень проектных решений и степень их совершенства по сравнению с соответствующими проектами-аналогами и достижениями науки и техники.

Новые методы оценки качества проектов основаны на систем но-структурном подходе, использовании опыта и закономерностей процесса экспертизы проектов, теории распознавания образов, квали-метрии, теории принятий решений и проектирования сложных систем. В этом случае предусматривается поэтапный подход к оценке качества проектов подземных сооружений:

- оценка свойств горных пород и горногеологических свойств участка для строительства [11];

- оценка технического уровня проектов подземных сооружений на основе анализа архитектурных, технологических, конструктивных, объемно-планировоч-ных решений и технологий строительства [14], [15], [16], [17];

- технико-экономическая оценка качества проектных решений с анализом целесообразности строительства подземных сооружений с учетом критериев оценки целесообразности освоения подземного пространства [18], анализа рисков инвестиций в строительство [19], [20] и анализа факторов, возникающих при использовании подземного пространства [21].

Такой метод оценки качества проектов помогает всесторонне оценить и основные свойства проекта подземного сооружения на всех этапах менеджмента в

подземном строительстве, поскольку позволяет определить соответствие проектных решений современному уровню развития науки и техники и наметить пути улучшения проектных решений и снижения стоимости строительства. Это свидетельствует об эффективности нового научного направления методологии проектирования подземных сооружений как геосистем.

ВЫВОДЫ

1. Методология проектирования подземных сооружений по существу является целевой функцией проектирования геосистем и составной частью теории проектирования освоения недр, поскольку методология является аппаратом, специально приспособленным для осуществления процесса принятия решений при проектировании подземных сооружений и освоения подземного пространства.

2. Дальнейшее совершенствование методологии проектирования подземных сооружений должно осуществляться путем поиска приемов и проектных решений для более широкого использования свойств недр земли в подземных сооружениях будущего и особенно использовании энергии фазовых переходов в горных породах. При этом технология строительства подземных сооружений должна приниматься на принципе сохранения недр и сохранении качества окружающих природной среды.

3. Номенклатура подземных сооружений расширится в ближайшем будущем за счет перемещения хранилищ отходов, а также производственных цехов, служб и некоторых сооружений в подземное пространство в целях создания недопущения перехода границы ассимиляционных возможностей природной среды и создания удовлетворительных условий жизни населения и защиты окружающей среды.

4. Методология проектирования подземных сооружений необходима деловым людям, как ее потребителям, поскольку они должны быть информирова-

ны о новых принципах, подходах и методах принятия решений в соответствии с современными требованиями при проектировании и строительстве подземных сооружений.

5. В данной работе поставлены и в определенной мере решены принципиальные задачи методологического обос-

нования проектирования подземных сооружений.

6. Приведенный в конце доклада список литературы даст исчерпывающие рекомендации читателям, пожелающим расширить свои познания в области проектирования подземных сооружений.

ЛИТЕРАТУРА

1.Петренко Е.В. Методология горных наук - область высокой интеллектуальной сложности, 'Торный журнал", 1995, N5, с. 19-21.

2.Петренко Е.В. Освоение подземного пространства, М./'Недра", 1988, 150с.

З.Дядькин Ю.Д. Проблемы комплексного освоения ресурсов недр и использования подземного пространства, "Горный журнал" 1990,N7, с.54-57.

4.Шемякин Е.И. Проблемы освоения подземного пространства,"Подземное и шахтное строительство", 1991, N3, с.2-5.

5.Гейман Л.М. Подземные сооружения. "Горная энциклопедия", 1989, т.4, с. 164-

168.

6.Картозия Б.А. "Строительная геотехнология" как составная часть комплекса горных наук и ее роль в решении проблемы освоения подземного пространства. МГГУ. "Горный информационно-аналитический бюллетень, М. 1993, Выпуск 9-12, с.8-15.

7.Попов В.А. Проектирование строительства подземных сооружений. М., "Недра", 1989,318с.

8.Дитрих Я. , Проектирование и конструктирование. Системный подход., М., "Мир", 1981,454с.

9.Хилл П., Наука и искусство проектирования.,М.,"Мир", 1973, 263с.

10.Гусаков А.А., Григорьев Э.П., Ткаченко О.С., Горниак Л., Мишклкович П., Симак Д., Выбор проектных решений в строительстве, М., "Стройиздат", 1982, 265с.

11.Борисов С.Ф., Буров А.Т., Кудрявцев Б.В., Петренко Е.В., Выбор участков недр для строительства подземных объектов народного хозяйства. М., ЦНИИпромзданий, Сборник научных трудов "Подземные объекты народного хозяйства", 1990, с.3-18.

12.Макаров О.Н., Меркин В.Е.,Транспортные тоннели и метрополитены. Техника и технология строительства: состояние и перспективы. М., "ТИМР", 1991, 172с.

13.Мельников Н.Н., Гущин В.В., Епимахов Ю.А. Научно-инженерные принципы проектирования и строительство подземных сооружений в скальном массиве. М., ЦНИИпромзданий, Сборник научных трудов "Подземные объекты народного хозяйства", 1990, с. 96-107.

14.Николаева В.Н., Петренко Е.В., Интерьеры подземных сооружений, "Подземное и шахтное строительство", 1990, N10, с.5-8.

15.Петренко Е.В., Беляев А.Г., Николаева В.И. Объемно-планировочные решения подземных объектов. "Промышленное и гражданское строительство", 1992,N9, с.4-6.

16.Петренко Е.В., Петренко И.Е. Основные направления повышения устойчивости горных выработок. "Шахтное строительство", 1987, N6. с. 10-12.

17.Петренко Е.В., Петренко И.Е., Высокие технологии в освоении подземного пространства, Альманах научно-технической информации. Приложение к журналу "Подземное пространство мира", 1993, Выпуск 1, с.3-12.

18.Петренко Е.В., Петренко И.Е., Критерии оценки целесообразности освоения подземного пространства. МГГУ. Горный информационно-аналитический бюллетень, М., 1995, Выпуск N4, с.28-29.

19.Астахов А.С. Критерии эффективности инвестиционных проектов и фактор риска. МГГУ. Горный информационно-аналитический бюллетень. М., 1995, Выпуск N4, с.Ю-П.

20. Ястржембаский И.Э. Требования к технико-экономическому обоснованию проекта в рыночных условиях, "Горный журнал", 1995, N3, с.14-16.

21.Умнов В.А., Шелоумов А.А. Анализ факторов, возникающих при использовании подземного пространства. МГГУ. Горный информационно-аналитический бюллетень, М., 1995, Выпуск N1, с.94-97.

22.Петренко Е.В., Петренко И.Е. Закономерности освоения подземного пространства. "Подземное пространство мира", 1995, N3-4, с.69-74.

23.Совершенствование объемно-планировочных и конструктивных решений подземных сооружений. Альманах научно-технической информации, приложение к журналу "Подземное пространство мира", 1994, Выпуск N2, с.24-30.

24.Петренко Е.В., Николаева В.И., Петренко И.Е. Архитектура подземных сооружений, "Подземное и шахтное строительство", 1993, N1-2, с.24-29.

25.Васильчук М.П., Ильин А.М., Зимин B.C. Трубецкой К.Н., Чантурия В.А., Чаплыгин Н.Н., Каплунов Д.Р. Недра и основные положения экологической безопасности их освоения, "Горный журнал", 1995, N7, с. 17-21.

26.Шемякин Е.И., Использование подземного пространства как среды обитания человека, "Горный журнал", 1995,N8, с.35-39.

27.Петренко Е.В., Петренко И.Е., Зарубежный опыт освоения подземного пространства, 'Торный журнал", 1995, N8, с.49-51.