Терминологические вопросы строительной геотехнологии

Б.А. Картозия

Московский государственный горный

университет

Н.Б. Картозия,

Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова

ТЕРМИНОЛОГИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ СТРОИТЕЛЬНОЙ ГЕОТЕХНОЛОГИИ

Постоянно растущий в мире интерес к проблеме освоения подземного пространства, успехи достигнутые в практическом решении этой важной для человеческого общества проблемы способствовали активизации исследований в области методологии горных наук.

Крупным результатом этих исследований явились современная концепция использования и сохранения недр [1] и новая классификация горных наук [2]. В соответствии с этой классификацией научное обеспечение проблемы освоения подземного пространства осуществляет строительная геотехнология.

В работах ученых РАН и РАЕН была дана дефиниция строительной геотехнологии, сформулированы предмет и объекты исследований, цели и задачи, разработана структура, охарактеризованы взаимосвязи с другими науками [3, 4]. Время показало необходимость дальнейшего развития исследований по укреплению методологических основ этой науки и, в частности, в области терминологии.

В России решение научнопрактических задач, связанных с освоением подземного пространства, сосредоточено в сферах шахтного, тоннельного и промышленно-гражданского строительства. Отраслевая принадлежность научно-исследовательских институтов, проектных организаций и некоторых высших учебных заведений, научные школы и традиции, сложившиеся в различных отраслях, привели к известной разобщенности не только в вопросах терминологии,

но даже и в принципиальных подходах к решению однотипных задач [4].

В целях последовательного и логически оправданного сближения различных научных школ в основополагающих методологических вопросах автор настоящей статьи выносит на обсуждение научной общественности толкование терминов наиболее часто употребляемых в строительной геотехнологии. Интерпретация некоторых из них заимствована из учебников, энциклопедической и специальной научно-технической литературы с авторскими изменениями или добавлениями.

Не претендуя на окончательность тех или иных формулировок, автор надеется, что данная работа в какой-то мере заинтересует ведущих ученых методологическими проблемами строительной геотехнологии и тем, самым будет способствовать ее развитию как одной из важнейших составляющих комплекса горных наук. Не вызывает также сомнений, что одновременное участие в работе представителей различных сфер освоения подземного пространства - шахтного, тоннельного и промышлено-граждан-ского строительства послужит сближению исследовательского потенциала страны на единой научной основе.

Начнем с определения самой науки:

строительная геотехнология это

совокупность знаний о закономерностях поведения подземных со-

оружений в массиве горных пород, технических, экономических и организационных взаимосвязях технологических процессов при их строительстве, реконструкции и восстановлении.

Если иметь ввиду, что предметом изучения строительной геотехнологии как и многих технических наук , в первую очередь, являются процессы и явления, то предложенная формулировка исчерпывающе характеризует ее содержание. Однако, это не исключает возможность существования и других, более общих формулировок, например:

строительная геотехнология - совокупность знаний о подземных сооружениях, методах, способах и средствах освоения (использования) подземного пространства, или строительная геотехнология - горная наука об освоении подземного пространства.

Такие формулировки, на первый взгляд, воспринимаются легче, однако, в их дефиниции содержится другой более сложный для понимания термин - освоение подземного пространства, а, следовательно, эти определения требует дополнительного разъяснения. Кроме того, методы, способы и средства являются вторичными по отношению к знаниям о процессах и явлениях на базе которых они разрабатываются. Следует также иметь ввиду, что для решения проблемы освоения подземного пространства, кроме строительной геотехнологии привлекаются знания многих других наук.

Подземное пространство - природные (естественные) и техногенные полости в массиве горных пород. В горнотехнической литературе можно встретить также термины пространство недр и выработанное пространство недр, которыми обозначают некоторые полезные объемы в массиве горных пород естественного или искусственного происхождения.

Природные полости - пустоты в массиве горных пород, образовавшиеся в результате различных геологических процессов. Это могут быть пещеры и карсты, заполненные газом или водой.

Техногенные полости - горные выработки, проводимые при строительстве подземных сооружений и разработке месторождений полезных ископаемых.

Подземные сооружения - горные выработки или их комплексы, обустроенные в соответствии с функциональным назначением подземного объекта.

Обустройство природных и техногенных полостей состоит в выполнении строительных и монтажных работ по обеспечению функциональных, технических, экономических и других требований, заданных по условиям эксплуатации подземного объекта.

Подземные сооружения располагаются в массиве горных пород на различной глубине, при этом, они всегда связаны с дневной поверхностью вертикальными, горизонтальными или наклонными выработками. Доступ к объекту строительства может осуществляться через подходные выработки

Бытует мнение, что строительство заглубленных частей зданий и сооружений не является областью деятельности горняков. Возможно, что такая точка зрения сложилась из практики, когда глубина подземной части зданий измерялась метрами.

В настоящее время, когда формируется концепция предусматривающая, что подземная часть высотных зданий

должна быть сопоставима с наземной с таким мнением вряд ли можно согласиться. Так, корейская компания вЕ&С, планируя построить высотное здание предусматривает проходку подземной его части на глубину до 50 метров, причем, по скальным породам высочайшей крепости, а это уже неотъемлемая часть горного дела.

Горное дело - область человеческой деятельности по освоению недр земли, включающая все виды техногенного воздействия на земную кору с целью изучения и использования заключенных в ней георесурсов.

Георесурсы (ресурсы недр) - компоненты земной коры (твердые, жидкие газообразные полезные ископаемые, пресные и минеральные воды, геогенное тепло, природные и техногенные полости), которые на данном уровне развития производительных сил используются или могут быть использованы в интересах создания требуемого уровня жизнеобеспечения человеческого общества.

С этих позиций отдельные участки земной коры пригодные для размещения в них промышленных хозяйственных и других объектов с полным основанием могут быть отнесены к георесурсам.

Освоение подземного пространства - область науки и производства, связанная с использованием природных и техногенных полостей для размещения в них различных объектов жизнеобеспечения. Поскольку подземное пространство в данной постановке рассматривается и как среда обитания человека, эта проблема превращается из чисто технической в глобальную комплексную научно-практическую проблему решение которой не возможно без использования самого широкого круга техниче-

ских, биологических, экологических и многих других знаний.

Освоение подземного пространства как одного из георесурсов недр имеет существенную особенность. Использование твердых, жидких и газообразных полезных ископаемых путем их извлечения истощает недра земли, снижая их ценность. Напротив, освоение подземного пространства не только сохраняет этот вид георесурсов, но и увеличивает его ценность за счет возможности многократного использования в новом качестве. Например, горная выработка отработанной шахты преобразуется в подземное хранилище, а оно, в случае необходимости, в объект гражданской обороны и т.д. Таким образом, освоение подземного пространства наглядно иллюстрирует одно из положений современной концепции освоения недр, при котором они (недра) рассматриваются как сохраняемый комплексный ресурс жизнедеятельности, источник появления новых георесурсов с постоянно обновляемой возможностью использования в новом полезном качестве.

Для освоения подземного пространства могут использоваться различные методы: приспособление природных полостей, строительство специальных подземных сооружений и, наконец, реконструкция существующих объектов для использования их в новом качестве. Под методом в данном случае понимается принципиальный подход к решению технической задачи, обобщающий различные способы достижения поставленной цели. Например, проведение выработок по неустойчивым водоносным породам осуществляется методом их предварительного упрочнения , а способы этого упрочнения могут быть различными: замораживание, цементация, химическое закрепление и т.п. [5].

Приспособление природной полости для размещения в ней подземного объекта состоит в доведении ее формы и размеров до проектных величин и последующем обустрой-

стве в соответствии с функциональным назначением объекта, техническими, экономическими и другими требованиями.

Строительство подземного сооружения - включает проведение горных выработок и их последующее обустройство в соответствии с функциональным назначением подземного объекта.

Здесь уместно будет сделать замечание об используемых в горнотехнической литературе терминах:

проведение, проходка, сооружение горных выработок и возведение подземных сооружений.

Первые два из упомянутых терминов являются синонимами, но в литературном отношении термин проведение предпочтительнее. Понятие проведение горных выработок включает комплекс горностроительных процессов, основными из которых являются выемка породы, ее транспортировка и крепление выработки. Иногда, в горно-технической литературе встречается выражение проведение и крепление выработок, однако, не следует понимать это как стремление выделить процесс крепления в самостоятельный, независимый от других. Этим лишь подчеркивается его значимость и трудоемкость, которая составляет до 50 % времени проходческого цикла.

Понятие сооружение горных выработок для наименования известного технологического процесса употреблять не следует, т.к. входящая в состав данного словосочетания глагольная форма воспринимается двойственно: как процесс и как объект. Что же касается термина возведение подземных сооружений, то с учетом особенностей технологии горностроительных работ он вряд ли он употребим для подземных объектов, т.к. глагол возвести характеризует созидательное движение снизу вверх и в этом отношении в большей степени является синонимом слова “воздвигнуть” широко

употребляемого в промышленно-гражданском строительстве. Например, возвести (воздвигнуть) здание, монумент.

Реконструкция подземного сооружения при освоении подземного пространства состоит в его переустройстве (перестройке) с целью повышения эффективности действующего объекта или для повторного использования в новом качестве.

Производственная деятельности, включющая обустройство природных полостей, строительство и реконструкцию подземных сооружений различного назначения с целью рационального использования георесурсов получила название шахтное и подземное строительство

Отметим, что одновременное использование в горнотехнической литературе двух терминов шахтное строительство и подземное строительство свидетельствует о стремлении подчеркнуть их отраслевую принадлежность: первый

обобщенно характеризует инженерную деятельность при строительстве горнодобывающих предприятий, а второй при строительстве объектов не связанных с извлечением полезных ископаемых. В действительности, это составные части единой сферы деятельности человека, имеющей, к тому же, общую научную основу.

Рассмотрим теперь терминологические вопросы основных научных разделов строительной геотехнологии.

Первый научный раздел объединяет вопросы методологии проектирования подземных сооружений. К ним относятся исследования и обоснование социальноэкономической целесообразности и технической возможности строительства подземных сооружений, их месторасположения, а также, объемно-планировочных решений подземного объекта, в зависимости от его функционального назначения, горногеологических условий строительства, влияния технологии

строительных работ и т.п. Разделом данного направления является выбор стратегии и методов освоения подземного пространства в том числе, при утилизации и повторном использовании подземных объектов. Применительно к освоению подземного пространства городов это направление получило наименование подземная урбанистика [6]. Думается, что указанный термин следует понимать в более широком смысле, так как, в принципе, освоение подземного пространства всегда увязано с вопросами архитектуры и промышленно-гражданского строительства (здания и сооружения на поверхности горно-добывающих предприятий, жилые поселки, застройка подрабатываемых территорий и т.д.). Следует также отметить, что именно этот раздел строительной геотехнологии является связующим между горными и строительными науками.

Содержанием второго научного раздела 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 горностроительных работ, обоснование новых материалов, рациональных типов и конструкций крепей и обделок, разработка новых методов расчета инженерных конструкций (крепи, обделки и, породные конструкции, армировка), оценка их прочности, устойчивости и долговечности. В горнотехнической литературе этот научный раздел именуется механика подземных сооружений.

Содержанием третьего научного раздела является обоснование технологии строительства, реконструкции и восстановления подземных и сооружений, включая исследования взаимосвязей элементов технологии горностроительных

работ, установление качественных и количественных параметров, определяющих выбор способов, техники и технологии строительства, с учетом влияния природных и техногенных факторов на ее технико-экономические показатели, методов организации и управления работами по строительству одиночных горных выработок и их комплексов обычными и специальными способами, а так же горно-технических 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.

В последнее время много говорится о внедрении в подземное строительство высоких технологий, то есть, технологий основанных на использовании результатов фундаментальных научных исследований и обеспечивающих достижение таких технических, экономических и социальных показателей, которые по своему уровню либо значительно превосходят все аналогичные показатели в данной отрасли производства, либо вообще недостижимы при существующих технологиях.

В подземном строительстве это технологии проведения выработок, основанные на использовании закономерностей влияния горностроительных работ на напряженно - деформированное состояние породного массива, позволяющие гибко реагировать на поведение окружающей среды и, путем оперативного регулирования технологических параметров по данным непрерывного контроля, поддерживать оптимальный режим производственного процесса в системе “горная выработка-породный массив”.

Иными словами высокие технологии в подземном строительстве это технологии, в которых производственный процесс разработан для единой системы “горная выработка - породный массив”. а его параметры оперативно регулируются в зависимости от изменений состояния

этой системы. Разумеется, что неотъемлемой составляющей подобных технологий является ее экологическая чистота, полная механизация трудоемких работ, автоматизация контроля и обработки результатов наблюдений, высокий уровень безопасности и комфортности условий труда. Прообразом таких технологий может служить новоавстрийский метод строительства тоннелей (НАТМ), наглядно демонстрирующий возможности получения качественно новых результатов при органическом сочетании фундаментальных знаний о напряженно-деформированном состоянии породного массива с передовой техникой и мониторингом.

К сожалению, более ли менее устоявшееся терминологическое определение третьего научного раздела строительной геотехнологии отсутствует. В работе [7] предлагается круг очерченных выше исследований объединить термином геони-ка. Насколько он окажется пригодным покажет опыт его практического использования и мнение научной общественности.

И, наконец, последний четвертый научный раздел строительной геотехнологии изучает комплекс вопросов, связанных с исследованиями и обоснованием методов и способов подготовки массива горных пород при строительстве, реконструкции и восстановлении подземных сооружений в сложных горногеологических и горно-технических условиях (замораживание, химическое укрепление, тампонаж, водопонижение, осушение, разупрочнение пород и др.). В горнотехнической литературе эти вопросы объединены терминологическим понятием -управление состоянием массива. Хотя по своему содержанию этот термин несколько шире и подразумевает не только управление свойствами породного массива, но и его состоянием (механическим, газодинамическим и т.д.), на данном этапе он вполне может быть использован для обозначения вышеуказанного раздела строительной геотехнологии.

В заключение отметим, что на базе научных знаний, составляющих содержание строительной геотехнологии сформировались учебные и научные дисциплины:

механика подземных сооружений и конструкции крепей, материалы и конструкции подземных сооружений, строительство и реконструкция гарных выработок, технология строительства подземных сооружений, горно-технические здания и сооружения, тоннели и метрополитены, подземные гидротехнические сооружения, городские подземные транспортные сооружения и др.

Под этими названиями они включены вузами в учебные планы и программы подготовки бакалавров, специалистов и магистров в области освоения подземного пространства. Отдельные разделы перечисленных дисциплин в силу своей значимости и сложности получили углубленное самостоятельное развитие.

К их числу относятся:

бурение стволов, проектирование и расчет армировки стволов, специальные способы строительства подземных сооружений, строительство, ремонт и реконструкция городских подземных сооружений и др.

Нетрудно заметить многочисленные повторы и разнобой в цитируемых формулировках дисциплин и отдельных их разделов. Это еще раз подтверждает мысль автора о необходимости уделять должное внимание методологическим и, в частности, терминологическим проблемам горных наук.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Трубецкой К.Н., Каплунов Д Р., Чаплыгин Н.Н. Современные горные науки: пред-

мет, содержание и новые задачи. Горный журнал №6, 1994 г.

2. Лаверов Н.П., Трубецкой К.Н. О классификации горных наук. Горный журнал №1,2, 1996 г.

3. Ржевский В.В. Проблемы горной промышленности и комплекса горных наук. МП “Ладья”, 1991 г.

4. Картозия Б.А. Строительная геотехнология как составная часть комплекса горных наук и ее роль в решении проблемы освоения подземного пространства. Горный информационно-аналитический бюллетень, вып. 9-12, МГГУ, 1993 г.

5. Картозия Б.А. Корчак А.В. Классификация и критерии оценки сложных горногеологических условий при строительстве подземных сооружений. Горный информационно-аналитический бюллетень, вып. 1, МГГУ, 1996 г.

6. Голубев Г.Е. Подземная урбанистика. М., Стройиздат, 1979 г.

7. Петренко И.Е. Геоника и ее роль в освоении подземного пространства. “Проблемы развития транспортных и инженерных коммуникаций” № 2, ТИМР, 1997 г.

© Б.А. Картозия, Н.Б. Картозия