Экологическая, технологическая и эксплуатационная надежность подземного сооружения и ее влияние на выработку стратегии управления рисками

УДК 69.035.4 Е.Ю. Куликова

ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ, ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ И ЭКСПЛУАТАЦИОННАЯ НАДЕЖНОСТЬ ПОДЗЕМНОГО СООРУЖЕНИЯ И ЕЕ ВЛИЯНИЕ НА ВЫРАБОТКУ СТРАТЕГИИ УПРАВЛЕНИЯ РИСКАМИ

Яаучно-обоснованный подход к выработке стратегии управления рисками предполагает систематизацию городских подземных сооружений. Одна из таких групп предполагает деление подземных сооружений по уровню надежности. В этот признак включается:

• экологическая надежность;

• надежность несущих конструкций;

• технологическая надежность;

• эксплуатационная надежность.

Деление городских подземных сооружений по уровню экологической надежности составляет основу для выработки эффективных решений инженерного обеспечения экологической безопасности городов.

Экологическая надежность предполагает исключение вредного влияния городских подземных сооружений на состояние вмещающего породного массива, подземных вод, естественных процессов в районе заложения и прилегающих к подземному сооружению районах; здоровье обслуживающего объект персонала и посетителей. В последнем случае охрана здоровья людей чаще всего регламентируется временем пребывания людей в подземном сооружении, в зависимости от чего они дифференцируются на:

• объекты кратковременного пребывания (от нескольких минут до 1 часа);

• объекты со средней продолжительностью пребывания (1,5 -3 часа);

• объекты длительного пребывания (более 3 часов).

Важнейшими параметрами, определяющими время пребывания человека в подземном сооружении, являются температурновлажностные: допустимая и оптимальная температуры (Тдоп , Топт); относительные влажности ^допотн , ), скорости дви-

жения воздуха (Удоп , Уотн)-

Согласно этим условиям внутри подземного сооружения, которые, с одной стороны, определяются требованиями технологии осуществляемого процесса, а с другой - условиями комфорта для людей, все городские подземные сооружения можно подразделить на следующие типы:

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

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

• сооружения, предназначенные для

выполнения тяжелых работ: объекты

промышленности, энергетические и гидротехнические службы и т.п.;

• подземные сооружения типа складов и холодильников: данные сооружения выделены в отдельную группу из-за необходимости поддержания практически

Категория Период года Требования

сооружения Топт, °С Тдоп, °С л/ отн ™ опт » % Wдоп0тH, % Уоптч м/с Удоп , м/с

1 Холодный 21-24 17-22 40-60 75 0,1 0,1-0,2

Теплый 22-25 19-28 40-60 55-60 0,1-0,2 0,1-0,3

2 Холодный 17-23 13-23 40-60 75 0,2 0,3-0,4

Теплый 20-23 15-27 40-60 65-70 0,3 0,2-0,5

3 Холодный 16-18 12-19 40-60 75 0,3 0,5

Теплый 18-20 13-26 40-60 75 0,4 0,2-0,6

4 Холодный -1-0 85-90

Теплый - - - -

одинаковой температуры и влажности в течение всего года.

Требования к температурно-влажностным условиям каждой из 4-х описанных категорий приводятся в таблице, составленной на основании соответствующих СНиПов и ГОСТ.

Данные таблице могут служить исходными для оценки степени водопроницаемости городских подземных со-оружений. Не вызывает сомнения, что допустимые и оптимальные параметры микроклимата подземного сооружения зависят от совокупного влияния соответствующих показателей вентиляционной струи воздуха в помещениях и тепло-влажностного взаимодействия подземного сооружения и вмещающего его породного массива. Это, прежде всего, относится к влажности воздуха в подземных помещениях, величина которой определяется следующим соотношением:

= ЩбТ + ,

где Шаб>с - абсолютная влажность (масса водяного пара, находящегося в 1 м воздуха), г/м3; Wабсвc - абсолютная влажность поступающей в подземное сооружение вентиляционной струи, г/м3; WабCl - абсолютная влажность воздуха в подземном сооружении, являющаяся результатом испарения воды, просочившейся через ограждающие конструкции, г/м3.

Зная величину Wабc, можно найти количество влаги, поступившее через обдел-

ку сооружения. При известных значениях внутреннего объема подземного сооружения V и площади обделки в свету 8се, с помощью уравнений (2)-(5) можно найти взаимосвязь между расходом влаги, просочившейся через 1 м2 обделки Qе и долю относительной влажности воздуха, которая добавляется за счет испарения просочившейся через обделку воды:

^ = 5св • Ое,

= п • , г/м3^ч,

где WабcU определяется согласно (1) из соотношения:

, г/м3-ч:

где п - количество перемен воздуха в час, 1/ч; определяется по ГОСТу на рассматриваемый вид производства.

Тогда, преобразуя (41) и принимая мо-

3

дуль поверхности равным М =~^г, по-

лучим:

М

Из формулы (5) следует, что с ростом модуля поверхности уменьшается допустимое количество влаги, которое может профильтроваться в подземное сооружение через обделку. Учитывая, что больший модуль поверхности характерен для менее габаритных подземных сооружений,

можно сделать вывод о необходимости использования более плотного материала несущих конструкций (с меньшим коэффициентом фильтрации) при строительстве подземного сооружения меньшего сечения и протяженности.

Следовательно, 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 признакам их устойчивости, водопроницаемости, взаимодействия с вмещающими породами. Проблема устойчивости несущих конструкций до недавнего времени рассматривалась лишь с позиций отдельного воздействия на один из элементов ПТГС «породный массив - технология - подземное сооружение - окружающая среда». Однако, например, водо-притоки 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 соответст-

вующих 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 «породный массив -технология - подземное сооружение - окружающая среда» в комплексе, а не по отдельным ее элементам.

Проблема обеспечения эксплуатационной надежности действующих подземных сооружений должна решаться на трех уровнях:

• 3-й уровень: изучение возможных причин снижения эксплуатационной надежности;

• 2-й уровень: определение путей повышения эксплуатационной надежности подземных сооружений, находящихся в зоне влияния агрессивной среды или возводимых в текущий период объектов городской инфраструктуры;

• 3-й уровень: профилактика обеспечения эксплуатационной надежности подземных сооружений при перспективном планировании строительства объектов городской инфраструктуры в зоне расположения этих подземных объектов.

На рис. 1 приведена укрупненная структура факторов, требующих изучения на 1-ом уровне.

Из рис. 1 следует, что низкая эксплуатационная надежность действующих подземных сооружений может являться, в первую очередь, следствием низкого качества строительства. Вторая причина низкой эксплуатационной надежности подземных сооружений может быть связана в неизбежном воздействии агрессивной среды. На состояние обделки подземного сооружения может воздействовать агрессивная среда или понижение уровня грунтовых вод в результате бурения и использования скважин артезианского водоснабжения.

бующих изучения на 1-м уровне

Третья причина снижения надежности эксплуатируемых подземных сооружений кроется в опасной близости от подземных объектов вновь сооружаемых городских объектов. Особенно широкое распространение это явление получило в последние 5 лет в Москве. Например, в зоне влияния строительства Торгового-

Рекреационного Комплекса (ТРК) на Манежной площади находятся 6 тоннелей метрополитена и большое количество выработок метрополитена вспомогательного назначения.

На рис. 2 приведена структура возможных путей повышения эксплуатационной надежности подземных сооружений, находящихся в зоне влияния агрессивной среды или объектов городской инфраструктуры, возводимых в текущий период (2-й уровень решения проблемы надежности).

Из предложенной схемы следует, что на втором уровне существует два пути решения проблемы повышения эксплуатационной надежности подземных объектов:

• упрощенный, основанный на чисто теоретическом подходе к решению задачи;

• основной, базирующийся на получении данных о фактическом состоянии конструкций действующего подземного сооружения.

На рис. 3 приведена укрупненная структура решения проблемы профилактического обеспечения эксплуатационной надежности действующих подземных объектов при планировании строительства новых объектов городской инфраструктуры в районах местонахождения эксплуатируемых линий метрополитена.

Из схемы следует, что стержневым элементом решения данной проблемы (3-й уровень решения проблемы) является разработка нормативного документа, регламентирующего понятие «технических зон» эксплуатируемых линий метрополитена. В качестве приложения к этому нормативу должен быть разработан набор типовых профилактических защитных мероприятий, обеспечивающих эксплуатаци-

ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННОМ НАДЕЖНОСТИ ПОДЗЕМНЫХ СООРУЖЕНИЙ v ____________________________________

Натурное обследование Прогнозирование влияния строительства новых объектов

городской инфраструктуры на состояние действующих подземных сооружений

Систематизация дефектов в конструкциях подземного объекта

1 г

Определение фактической несущей способности конструкций подземного сооружения Разработка и реализация

подземных сооружений

Рис. 2. Структура возможных путей повышения эксплуатационной надежности подземных сооружений

онную надежность подземных объектов и объектов городской инфраструктуры, расположенных в «технических зонах» эксплуатируемых линий метрополитена.

В этих условиях количественно оценивать эксплуатационную надежность подземных сооружений следует показателями долговечности и резервирования. Расчетную модель для вычисления количественных значений избыточности и долговечности подземных сооружений по несущей способности следует принимать в виде системы со случайными начальными погрешностями (эллиптичностью, локальным разуплотнением породы за обделкой и уступами между блоками), в которой происходят временные изменения, обусловленные старением и коррозией материала и изменением нагрузок [1]. В качестве математической модели может быть использована любая модель напряженно-деформированного состояния системы «обделка - порода», позволяющая при описании начального и

последующего состояний системы задавать упомянутые выше характеристики: эллиптичность обделки, величину уступов между элементами обделки, наличие пустот или разуплотнений в породном массиве и на контакте между обделкой и породой, наличие дефектов в обделке (трещины, сколы, коррозия, разрушение материала), изменение во времени де-формативных характеристик материала конструкции и породы, изменение во времени общей конфигурации конструкции ввиду ее деформаций, изменение во времени величины и вида нагрузок на конструкцию.

Задачей расчета долговечности обделок подземных сооружений является составление прогноза изменения свойств материала конструкции и ее несущей способности во времени с целью предупреждения аварийных ситуаций, более обоснованного установления межремонтных сроков и предельного срока службы подземного сооружения.

Профилактика обеспечения эксплуатационной надежности подземных сооружений при перспективном планировании объектов городской инфраструктуры

-ЗЛ-

Нормирование «технических зон» эксплуатируемых транспортных тоннелей метрополитена

Разработка профилактических защитных мероприятий подземных сооружений и объектов городской инфраструктуры

РЕАЛИЗАЦИЯ ПРОФИЛАКТИЧЕСКИХ ЗАЩИТНЫХ МЕРОПРИЯТИИ НА СТАДИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ДО НАЧАЛА СТРОИТЕЛЬСТВА ИЛИ В ПРОЦЕССЕ СТРОИТЕЛЬСТВА НОВЫХ ПОДЗЕМНЫХ ОБЪЕКТОВ В ТЕХНИЧЕСКИХ ЗОНАХ ЭКСПЛУАТИРУЕМЫХ ТОННЕЛЕЙ

Рис. 3. Укрупненная структура профилактического обеспечения эксплуатационной надежности действующих подземных объектов

В общем случае на несущую способность эксплуатируемых сборных обделок из железобетона влияют следующие процессы [4]:

• коррозии бетона в местах контакта с агрессивной средой, т. е. с внешней и внутренней стороны обделки, в радиальных и кольцевых стыках, вызывающей потери поверхности в местах непосредственного контакта и снижение прочности бетона на примыкающих участках;

• карбонизации бетона на внутренней поверхности обделки и последующей коррозии арматуры;

• набора бетоном прочности во времени на участках, не подверженных коррозии.

Подобный подход позволяет систематизировать дефекты конструкций подземных сооружений, влияющих на снижение их эксплуатационной надежности. При этом дефекты подразделяются в зависимости от значимости:

• критический - дефект, при наличии которого снижается безопасность работ, прочность, надежность и долговечность подземного сооружения; эксплуатация подземного сооружения при данном дефекте практически невозможна;

• значительный - дефект, несущественно влияющий на безопасность работ, но снижающий прочность, надежность и долговечность подземного сооружения при его эксплуатации;

• малозначительный - дефект, который не оказывает существенного влияния на безопасность работ, прочность, надежность и долговечность подземного сооружения при его эксплуатации.

Наиболее характерными дефектами являются:

• недопустимая по нормам величина раскрытия трещин в растянутых зонах и раздробление бетона в сжатых зонах;

• повреждения от воздействия агрессивных сред - коррозионное разрушение бетона и образование слоя ржавчины, сопровождающееся уменьшением сечения рабочей арматуры и нарушением ее сцепления с бетоном. Признаками коррозионного разрушения являются: наличие на поверхности бетона ржавых пятен или мелкой сетки трещин, отслаивание бетона, образование сталактитов в местах течей, разрыхление бетона;

• деформации отдельных колец обделки, проявляющиеся в виде разрушения заполнения чеканочных канавок между отдельными элементами обделки.

Различают два типа трещин в конструкциях обделок подземного сооружения, ослабляющих его эксплуатационную надежность:

• трещины технологического происхождения - это трещины, возникшие при извлечении блоков из форм, транспортировке, складировании, монтаже;

• трещины, а также раскрытие швов, появившиеся в процессе эксплуатации. Наиболее опасными, свидетельствующими о перенапряжении и больших деформациях конструкции, являются горизонтальные трещины, сколы бетона вблизи горизонтальных стыков и разрушение или выкрашивание чеканки горизонтальных стыков, возникшие в процессе эксплуатации и продолжающие развиваться.

Особое внимание следует уделять дефектам, которые повторяются на ря-де колец одного участка, что является одним из основных признаков, указывающих на необходимость проверки надежности рассматриваемого участка подземного объекта.

Из изложенного следует, что надежность подземных сооружений нельзя рассматривать в отрыве от массива

вмещающих пород и тех процессов, которые происходят как в подземном пространстве, так и на поверхности земли в результате ведения подземных и градостроительных работ. Массив горных пород воспринимает нагрузки и другие воздействия от надземных частей зданий, является проводником тепломассообменных и других процессов к подземному сооружению.

При отсутствии обеспеченной надежности подземного сооружения или устойчивости массива горных пород вся система становится также ненадежной. Более того, ненадежность вмещающих горных пород вызывает, как правило, появление таких деформаций и напряжений в конструкциях подземного объекта, при которых они становятся ненадежными даже в тех случаях, если их надежность сама по себе (без учета влияния массива горных пород) и была обеспечена.

В то же время отсутствие достаточной технологической надежности и надежности несущих элементов подземного сооружения вызывает нарушение равновесно-напряженного состояния

вмещающего массива и активизацию нежелательных естественных процессов в породах. Поэтому экологическая надежность не может существовать сама по себе, а должна быть четко скоррелирована с технологической надежностью, надежностью строительных конструкций городского подземного объекта и его эксплуатационной надежностью. Только подобный подход дает возможность выработки общей стратегии управления рисками в городском подземном строительстве и повысить надежность подземного сооружения на всех этапах его жизненного цикла.

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

Куликова Е.Ю. - доктор технических наук, профессор кафедры «Строительство подземных сооружений и шахт», Московский государственный горный университет.