Обеспечение геомеханической безопасности при строительстве и эксплуатации подземных сооружений

УДК 622.838

С.В. Баловцев, Р.В. Шевчук

ОБЕСПЕЧЕНИЕ ГЕОМЕХАНИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПОДЗЕМНЫХ СООРУЖЕНИЙ

Представлен комплексный анализ факторов, влияющих на выбор и обоснование технологии строительства подземных сооружений. На проектные решения влияют геологическое строение и инженерно-геологические характеристики грунтов, глубина заложения подземного сооружения, гидрогеологические условия участка строительства, экономические условия и состояние технической базы строительной организации, включающие в себя размер капитальных вложений, стоимость строительства, проведение экспертизы подземных сооружений и фундаментов зданий на предмет деформаций и оседаний, а также социально-экологические условия строительства. Приведены цели геомеханического мониторинга и мероприятия по геомеханической безопасности горных работ. Ключевые слова: проектирование подземных сооружений, инженерные сети, действующие линии метрополитена, обоснование технологии строительства, геологическое строение, глубина заложения подземного сооружения, гидрогеологические условия, подземные коммуникации, нагрузки на обделки, постоянные нагрузки, горное давление, гидростатическое давление, временные нагрузки, контроль состояния массива горных пород, опасная ситуация, геомеханический мониторинг, получение информации, деформации, датчики, напряженно-деформированное состояние крепей и обделок, качество материалов, маркшейдерские наблюдения, неразру-шающий контроль, ультразвуковой метод, геомеханический риск.

При проектировании подземных сооружений осуществляется оценка влияния строительства на существующие здания, инженерные сети, действующие линии метрополитена и др. Определяется порядок наблюдения за деформациями земной поверхности, за сдвигами и кренами зданий, расположенных в зоне строительных работ [1].

Выбор и обоснование технологии строительства подземных сооружений производится на основе комплексного анализа факторов, влияющих на проектные решения (рис. 1).

ISSN 0236-1493. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2017. № 6. С. 213-219. © 2017. С.В. Баловцев, Р.В. Шевчук.

Инженерно-геологические и гидрогеологические условия

Геологическое строение и инженерно-геологические характеристики грунтов

Экономические условия, состояние технической базы строительной организации

Размер капитальных вложений, стоимость строительства

Глубина заложения сооружения

Влияние гидрогеологических условий на процессы строительства и эксплуатации объекта

Социально-экологические условия строительства

Наличие подземных коммуникации и сооружений

Проведение экспертизы подземных сооружений и фундаментов зданий на предмет деформаций и осадок

Обеспечение сложившихся путей движения транспорта и пешеходов

Снижение влияния негативных процессов строительства на окружающую городскую среду

Рис. 1. Факторы, влияющие на проектные решения

К инженерно-геологическим и гидрогеологическим факторам относятся геологическое строение и инженерно-геологические характеристики грунтов, глубина заложения подземного сооружения, влияние гидрогеологических условий на процессы строительства и эксплуатации объекта. К социально-экологическим условиям строительства относятся наличие подземных коммуникаций и сооружений, обеспечение сложившихся путей движения транспорта и пешеходов, снижение влияния негативных процессов строительства на окружающую среду.

Применяемые строительные материалы и конструкции, а также технология производства работ должны обеспечивать заданный срок службы обделок подземных сооружений [2, 3]. Нагрузка на обделку сооружения на стадии проектирования определяется путем оценки результатов инженерно-геологических изысканий и накопленных экспериментальных данных о нагрузках, полученных при аналогичных условиях строительства.

К постоянным нагрузкам, действующим на обделки, относятся горное и гидростатическое давления, вес зданий и других наземных сооружений, собственный вес конструкций, к временным — нагрузки от наземного транспорта, а также нагрузки, возникающие в процессе ведения проходческих работ (давление от нагнетания раствора за обделку). Кроме нагрузок при выборе материала и конструкции обделок учитывают инженерно-геологические и гидрогеологические условия, обделку рассчитывают на самое неблагоприятное сочетание нагрузок (с учетом коэффициента запаса).

Задачами контроля состояния массива горных пород являются выбор и обоснование критериев контроля массива или отдельных его элементов; разработка схем контроля и необходимых средств их совершенствования; оповещение в случае возникновения опасных ситуаций. Контроль осуществляется различными видами геомеханического мониторинга (аналитическими методами, инструментальными методами контроля за сдвижением горных пород, современными системами автоматизированного контроля, непосредственными визуальными обследованиями состояния выработок и др.).

Принимая во внимание достижения в проектировании станций метрополитена по принципу «крупноблочной сборки» для участков двухпутного тоннеля, пересадочных станций мелкого заложения и для многоуровневых вестибюлей [4], увеличение объемов подземного строительства, условия плотной городской застройки, сложные инженерно-геологические и гидрогеологические условия, а также комплексный подход при проектировании транспортно-пересадочных узлов, необходим геомеханический мониторинг, как во время строительства подземных сооружений, так и во время их эксплуатации.

Приведем основные мероприятия по геомеханической безопасности горных работ (применяются специальные способы строительства) в сложных гидрогеологических условиях (рис. 2).

Мероприятия по геомеханической безопасности горных работ

— Технологические

1

Организационно-технические

Выбор объемно-планировочных и конструктивных решений

Применение специальных способов строительства

Геомеханический мониторинг

Расчет ожидаемых нагрузок и выбор типа обделки

Определение осадок, кренов и горизонтальных смещений конструкций сооружения, а также окружающих зданий и сооружений в зоне влияния строительства

Получение информации о состоянии массива

Соблюдение ТБ и

технологии строительства в

сложных геологических и гидрогеологических условиях

Наблюдение за термометрическими и гидронаблюдательными скважинами

Измерения изменения величины напряжения в бетоне, давления горных пород на обделку, наблюдение за смещениями обделки

Рис. 2. Мероприятия по геомеханической безопасности горных работ

Целями геомеханического мониторинга являются:

• обеспечение сохранения эксплуатационных качеств существующих зданий и сооружений;

• оперативное получение объективной информации о деформационном состоянии зданий и сооружений в целом;

• предупреждение развития существующих повреждений в конструкциях;

• определение абсолютных и относительных величин деформаций несущих конструкций зданий или сооружений и сравнение их с расчетными;

• выявление степени опасности деформаций для нормальной эксплуатации объектов (используются программные комплексы для выполнения прогноза геомеханических процессов, для выполнения прочностного анализа в различных областях инженерного дела [5]; комплексное применение датчиков дает представление о формировании напряженно-деформированного состояния крепей и обделок [6, 7]);

• принятия своевременных мер по предупреждению влияния опасных деформаций на состояние зданий и сооружений;

• оценка воздействия нового строительства на окружающие здания и сооружения.

Учитывая современные темпы строительства зданий и сооружений, расположенных на земной поверхности, а также подземные сооружения, необходимо комплексно подходить к оценке геомеханической безопасности сооружений.

Основными направлениями в комплексной оценке геомеханической безопасности являются:

• оценка проектов производственных работ;

• оценка качества составных элементов сооружения;

• оценка соответствия строительных работ нормативно-технической документации;

• маркшейдерские наблюдения за деформациями;

• неразрушающий контроль.

На стадии проектирования одной из важных задач является детальный анализ и комплексная оценка всех факторов, оказывающих влияние на объект, как при его строительстве, так и при дальнейшей эксплуатации. Несвоевременное выявление таких факторов влечет за собой значительное удорожание сооружения и снижение безопасности при его эксплуатации.

По статистическим данным развитые страны ежегодно теряют 8—10% своего национального дохода из-за низкого качества выпускаемой продукции.

Ущерб от низкого качества материалов в России в значительной мере выше. Если учесть, что часть продукции не соответствует требуемым нормам, то материальные затраты возрастают, а качество сооружения снижается, что несомненно влечет за собой снижение безопасности при строительстве и эксплуатации объекта.

Человеческий фактор — термин, описывающий возможность принятия человеком ошибочных или алогичных решений в конкретных ситуациях. При строительстве подземных объектов необходимо осуществлять должный контроль, как надзорными органами, так и внутренними структурами предприятия с целью выявления и исключения ошибок ввиду человеческого фактора или халатности.

Маркшейдерские наблюдения за деформациями являются одним из основных источников получения фактических данных о состоянии объекта на всех стадиях строительства и эксплуатации объекта. По инструментальным данным маркшейдерской службы производится оценка взаимного влияния сооружений друг на друга в конкретных геологических условиях и определяется характер распространения геомеханических процессов, однако получить полное заключение о прочностных свойствах конструкции для создания безопасных условий эксплуатации и рассчитать срок службы конструкции в данных условиях не представляется возможным.

В связи с этим актуальность приобретает неразрушающий контроль. В настоящее время неразрушающий контроль является одним из главных условий безопасности [8]. Неразрушающий контроль — контроль свойств и параметров объекта, при котором не нарушается пригодность объекта к использованию и эксплуатации. Неразрушающий контроль особенно важен при строительстве и эксплуатации станций метрополитена и станционных тоннелей.

Оценка качества строительно-монтажных работ невозможна без достоверной информации о геометрических параметрах сооружений и конструкций, оценки прочности обделки тоннеля, определения наличия дефектов в толще конструкций и узлов. Эту информацию можно получить только в результате измерений. Измерения в строительстве проводятся различными методами с использованием различных приборов и инструментов.

Ультразвуковой метод заключается в регистрации скорости прохождения ультразвуковых волн. По технике проведения испытаний можно выделить сквозное ультразвуковых прозву-чивание, когда датчики располагают с разных сторон тестируе-

мого образца, и поверхностное прозвучивание, когда датчики расположены с одной стороны.

По технологии строительства тоннелей за установленные тюбинги, которые являются несущей конструкцией, нагнетается заобделочный песчано-цементный раствор. Наличие пустот не допускается. Задача контроля — поиск данных пустот неразру-шающим ультразвуковым методом. Кроме поиска пустот проводится оценка колец на наличие трещин в тюбингах. По результатам сканирования можно оценить степень влияния трещин на прочностные свойства конструкции.

Таким образом, комплексный подход к оценке геомеханической безопасности сооружения позволяет уменьшить геомеханические риски, а также снизить инвестиционный риск ввиду оценки ряда факторов, оказывающих значительное влияние в период строительства и эксплуатации объекта.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Дрёмов В. И., Мазеин С. В., Прудников А. Д., Акутин Д. В. Мероприятия промышленной безопасности при проектировании строительства московского метрополитена // Метро и тоннели. — 2016. — № 5. — С. 31—38.

2. ПБ 03-428-02. Правила безопасности при строительстве подземных сооружений.

3. Федеральный закон от 30.12.2009 № 384-Ф3 (ред. от 02.07.2013) «Технический регламент о безопасности зданий и сооружений».

4. Бойцов Д. А., Евстифеева О. В. Современные достижения в проектировании станций метрополитена // Метро и тоннели. — 2016. -№ 6. - С. 47-51.

5. Протосеня А.Г., Карасев М. А. Развитие методов прогноза оседания земной поверхности при строительстве подземных сооружений в условиях плотной городской застройки // Метро и тоннели. - 2016. -№ 6. - С. 87-91.

6. Лебедев М. О., Ларионов Р. И., Егоров Г. Д., Попович А. В. Геотехнический мониторинг при строительстве Санкт-Петербургского метрополитена на малых глубинах // Метро и тоннели. - 2016. - № 6. - С. 19-23.

7. Волохов Е. М., Новоженин С. Ю., Нгуен С. Б. Современные системы контроля сдвижений и деформаций при строительстве подземных сооружений // Записки Горного института. - 2012. - Т. 199. - С. 253-259.

8. Гроссе К. У. Неразрушающий контроль и технология мониторинга технического состояния конструкций при контроле качества и надзоре за объектами строительства // ALITinform: Цемент. Бетон. Сухие смеси. - 2012. - № 6. - С. 62-77. ЕИЗ

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Баловцев Сергей Владимирович1 - кандидат технических наук, доцент, e-mail: Balovcev@yandex.ru,

Шевчук Роман Васильевич1 - студент, e-mail: Shevchuk.002@mail.ru, 1 МГИ НИТУ «МИСиС».

Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2017. No. 6, pp. 213-219. udc 622.838 s.V. Balovtsev, R.V. Shevchuk

GEOMECHANICAL SAFETY IN CONSTRUCTION AND OPERATION OF UNDERGROUND STRUCTURES

The integrated analysis of the factors that influence choice and justification of an underground construction technology is presented. The design solutions are governed by geological structure and geotechnical characteristics of soil, depth of an underground structure, hydro-geological conditions of a construction site, economic climate and technical basis of a builder, including amount of capital investment, cost of construction, expertise of underground structures and foundations of buildings in terms of deformation and subsidence, as well as socioeconomic environment of the construction.

Structural engineering involves estimation of influence exerted by new construction on the existing buildings and facilities, utilizes and subway lines. During construction and operation of structures, it is required to carry out geomechanical monitoring. The aims of the ge-omechanical monitoring and geomechanical safety program in mining are presented.

Mine survey of deformation is one of the basic sources of actual data on state of an object. The integrated approach to the assessment of geomechanical safety of a structure using nondestructive testing and ultrasound method allows abating geomechanical and investment risks.

Key words: underground structural engineering, utilities, effective subway lines, construction technology justification, geological structure, geotechnical characteristics of soil, underground structure depth, hydrogeological conditions, underground pipelines, loads on lining, permanent loads, rock pressure, hydrostatic pressure, temporal loads, rock mass state control, hazardous situation, geomechanical monitoring, information acquisition, strains, sensors, stress state of support and lining, quality of materials, mine survey, nondestructive testing, ultrasound method, geomechanical risk.

AUTHORS

Balovtsev S.V.1, Candidate of Technical Sciences,

Assistant Professor, e-mail: Balovcev@yandex.ru,

Shevchuk R.V.1, Student, e-mail: Shevchuk.002@mail.ru,

1 Mining Institute, National University of Science and Technology «MISiS»,

119049, Moscow, Russia.

REFERENCES

1. Dremov V. I., Mazein S. V., Prudnikov A. D., Akutin D. V. Metro i tonneli. 2016, no 5, pp. 31—38.

2. Pravila bezopasnostipri stroitel'stvepodzemnykh sooruzheniy PB 03-428-02 (Underground construction safety regulations RV 0342802 PB 03-428-02).

3. Federal'nyy zflkon ot 30.12.2009 № 384-FZ (red. ot 02.07.2013) «Tekhnicheskiy reglament o bezopasnosti zdaniy i sooruzheniy» (Federal Law No. 384-FZ dated 30 December 2009 (revised 2 July 2013): Technical regulations on safety ofbuildings and structures).

4. Boytsov D. A., Evstifeeva O. V. Metro i tonneli. 2016, no 6, pp. 47—51.

5. Protosenya A. G., Karasev M. A. Metro i tonneli. 2016, no 6, pp. 87—91.

6. Lebedev M. O., Larionov R. I., Egorov G. D., Popovich A. V. Metro i tonneli. 2016, no 6, pp. 19—23.

7. Volokhov E. M., Novozhenin S. Yu., Nguen S. B. Zapiski Gornogo instituta. 2012, vol. 199, pp. 253-259.

8. Grosse K. U. ALITinform: Tsement. Beton. Sukhiesmesi. 2012, no 6, pp. 62-77.