Технико-экологические модели оценки рисков в системе защиты городской среды при строительстве метрополитена

43

Размещено на http://www.allbest.ru/

43

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Технико-экологические модели оценки рисков в системе защиты городской среды при строительстве метрополитена

Специальность 25.00.22 «Геотехнология (подземная, открытая и строительная)»

Запрудин А.Г.

Екатеринбург - 2008

Работа выполнена в ГОУ ВПО

«Уральский государственный горный университет»

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Корнилков Михаил Викторович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Шилин Андрей Александрович

кандидат технических наук

Черев Дмитрий Алексеевич

Ведущая организация - Институт горного дела УрО РАН

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИИ

Актуальность темы. Освоение подземного пространства урбанизированных территорий - радикальное средство решения градостроительных проблем крупнейших городов. Вместе с тем практика городского подземного строительства в Уральском регионе, главным образом Екатеринбургского и Челябинского метрополитенов, свидетельствует о негативном влиянии горно-строительных работ на состояние городской среды, что требует проведения специальных защитных мероприятий. Эффективность последних существенно возрастет, если они будут объединены в систему, формализуемую на основе принципов системного подхода, отражающих взаимосвязи природных, экономических, экологических, социальных, технических особенностей и рисков освоения городского подземного пространства. Обязательным условием результативного функционирования системы является оценка рисков, сопровождающих горно-строительные работы, отражающих нестабильность условий строительства метрополитенов, с учетом комплексного мониторинга состояния подземных объектов, позволяющего прогнозировать «периоды упреждения» с последующим назначением мероприятий, обеспечивающих минимизацию ущербов для городской среды. Таким образом, формирование моделей оценки рисков в системе защиты городской среды при строительстве метрополитена, обеспечивающих обоснованный выбор эффективных защитных инженерных мероприятий, является весьма актуальной задачей.

Объект исследований - строящиеся метрополитены крупнейших городов Урала.

Предмет исследований - методы оптимизации экономически и экологически эффективных инженерных решений при производстве горно-строительных работ.

Цель диссертации формирование технико-экологических моделей оценки рисков в системе защиты городской среды от воздействия горных работ при строительстве метрополитенов, обеспечивающих принятие эффективных защитных решений.

Основная идея диссертации - обоснование эффективных инженерных решений с использованием технико-экологических моделей системы защиты городской среды, формируемой на основе системного подхода и теории риска с учетом нестабильности условий строительства и качества мониторинга строящихся метрополитенов.

Основные задачи исследований:

1) формализация системы защиты городской среды от воздействия горных работ при строительстве метрополитенов;

2) определение наиболее значимых факторов риска для городской среды и структуры значимых подсистем в системе защиты, в т. ч. структуры подсистем получения исходной информации, мониторинга и страхования горно-строительных рисков;

3) совершенствование методов количественной оценки рисков по наиболее значимым факторам и цене рисков;

4) оценка качества комплексного мониторинга городской среды в зоне влияния горно-строительных работ;

5) разработка методик обоснования эффективных защитных мероприятий в системе защиты городской среды.

Методы исследований. В диссертации использован комплекс, включающий обобщение результатов ранее выполненных исследований, системный подход, методы системного анализа и вероятностно-статистические методы, имитационное моделирование. Следует отметить, что исследования выполнены в рамках научного направления кафедры ШС УГГУ «Решение задач строительства подземных сооружений и шахт в условиях риска».

Защищаемые научные положения:

1. Технико-экологические модели оценки рисков в формализованной системе защиты городской среды от негативного влияния горных работ при строительстве метрополитенов включают взаимосвязи финансовых поступлений, затрат (на горно-строительные работы, получение исходной информации о состоянии среды и ее мониторинг) и цены значимых рисков, рассматриваемые в динамике с учетом фактора времени.

2. Значимые факторы риска, оказывающие наиболее существенное влияние на городскую среду при строительстве метрополитенов крупнейших городов, устанавливаются дифференцированно для основных типов подземных сооружений (тоннель, станция, вестибюль) методом статистической обработки результатов групповой экспертизы с последующей сравнительной эколого-экономической оценкой цены факторов как произведения уровней рисков на потенциальный ущерб.

3. Качество комплексного мониторинга защищаемой среды устанавливается с учетом достоверностей определения «периодов упреждения» по компонентам комплексного мониторинга с учетом нестабильности уровней «горизонтов прогноза», на которые ведется прогнозирование.

4. Выбор эффективных инженерных решений в моделях оценки рисков при строительстве метрополитенов выполняется по критериям минимизации суммарных дисконтированных затрат и цены рисков или максимизации чистого дисконтированного дохода, причем уровни, определяющие цену рисков, находятся методом Монте-Карло, а потенциальные ущербы - по принципу финансового запаса.

Достоверность защищаемых научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается сходимостью полученных результатов исследований с данными практики, результатами внедрения.

Научная новизна результатов исследований состоит:

- в создании технико-экологических моделей системы защиты городской среды от негативных воздействий, вызванных строительством метрополитена;

- разработке методики оценок значимых факторов риска по основным типам строящихся подземных сооружений метрополитена;

- количественной оценке качества комплексного мониторинга и разработке методики совместного прогнозирования «периодов упреждения» на защищаемых объектах по компонентам комплексного мониторинга;

- формировании критериев и методик количественной оценки уровней рисков и потенциальных ущербов в системе защиты городской среды для головной строительной организации или подрядчика.

Практическая значимость работы заключается в формировании моделей, алгоритмов и программ для обоснования инженерных мероприятий по защите городской среды от воздействия горных работ.

Реализация результатов работы. Результаты диссертации использованы при проектировании и строительстве Челябинского метрополитена (ООО «Институт Челябинскдортранспроект», МУП «Челябметротрансстрой»).

Результаты работы переданы в ЕМУП «УЗПС МЕТРО» (Екатеринбургское муниципальное унитарное предприятие «Управление заказчика по строительству подземных сооружений и метрополитена»), ООО «Метрострой - ПТС» (г. Екатеринбург).

Личный вклад автора диссертации заключается в сборе и обобщении материалов, постановке задач исследований, выполнении исследований, формулировании научных положений, выводов и рекомендаций диссертации.

Апробация. Содержание и основные результаты исследований обсуждались на третьей научно-технической конференции с международным участием «Современные проблемы проектирования, строительства и эксплуатации железнодорожного пути» (ноябрь 2006 г., г. Москва), Международном совещании заведующих кафедрами механики грунтов, оснований и фундаментов, подземного строительства и гидротехнических работ, инженерной геологии и геоэкологии строительных вузов и факультетов «Достижения, проблемы и перспективные направления развития теории и практики механики грунтов и фундаментостроения» (ноябрь 2006 г., г. Казань), Всероссийской научной конференции «Роль механики в создании эффективных материалов конструкций и машин XXI века» (декабрь 2006 г., г. Омск), Международной конференции «Проектирование, строительство и эксплуатация комплексов подземных сооружений» (май 2007 г., г. Екатеринбург), семинарах Уральского отделения Тоннельной ассоциации России (2007, 2008 гг., г. Екатеринбург), семинарах кафедр строительных конструкций и инженерных сооружений ЮУрГУ (2006, 2007, 2008 гг., г. Челябинск) и шахтного строительства УГГУ (2008 г., г. Екатеринбург).

Публикации. Содержание диссертации опубликовано в девяти печатных работах.

Структура и объем работы. Работа включает введение, шесть глав, выводы и рекомендации, библиографический указатель из 177 наименований. Объем работы составляет 194 страниц машинописного текста, в том числе 47 таблиц и 26 рисунков, 2 приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. Состояние изученности вопроса

Существенный вклад в решение технико-экологической задачи строительства и эксплуатации городских подземных сооружений внесен в результате исследований и работ, выполненных МГГУ, МГУПС, МГСУ, МАДИ (ГТУ), СПбГГИ (ТУ), СПбГУПС, СПбГАСУ, УрГУПС, УГГУ, СибГУПС, ЮУрГУ, Тоннельной ассоциацией России, «Ассодстройметро», ИПКОН РАН, НИЦ «Тоннели и метрополитены», НИИОСП им. Герсеванова, ИГД УрО РАН, ВНИМИ, ОАО «Метрогипротранс», ОАО НИПИ «Ленметрогипротранс», ОАО «Мосинжпроект», ОАО «Уралгипротранс», ЗАО «Триада-Холдинг и др. В частности, разработаны общие теоретические положения защиты городской среды при подземном строительстве, классификации подземных сооружений в экологическом аспекте и экологических рисков, критерии экологической безопасности, методические основы определения безопасного состояния работы природно-технической системы «породный массив технология подземное сооружение, сформированы основы стратегии управления рисками в городском подземном строительстве, комплексы защитных мероприятий.

Оценивая изученность экологической проблемы освоения городского подземного пространства, необходимо отметить научную важность и практическую значимость полученных результатов. Вместе с тем не формализована система защиты городской среды, реализующая принципы системного подхода (предусматривающего увязку природных, экономических, экологических, социальных, технических факторов, в т. ч. рисков, сопровождающих освоение городского подземного пространства), доступная широкому кругу пользователей. Нет ясности в части определения значимости факторов риска, затруднена их количественная оценка. Не формализован мониторинг состояния подземных объектов, без чего невозможна оптимизация его параметров. Не рассмотрена целесообразность страхования строительных и эксплуатационных рисков, сопровождающих освоение подземного пространства. Прогноз состояния объектов не завершается оценками периода упреждения и достоверности. На основании изложенного исследования в диссертации выполняются по следующим направлениям:

формализация системы защиты городской среды от воздействия горных работ при строительстве метрополитенов;

определение наиболее значимых факторов риска для городской среды и структуры значимых подсистем в системе защиты, в т. ч. структуры подсистем получения исходной информации, мониторинга и страхования горно-строительных рисков;

совершенствование методов количественной оценки рисков по наиболее значимым факторам и цене рисков;

оценка качества комплексного мониторинга городской среды в зоне влияния горно-строительных работ;

разработка методики обоснования эффективных защитных мероприятий в системе защиты городской среды.

2. Система защиты городской среды от воздействия горных работ при строительстве метрополитена и ее компоненты

Практика освоения подземного пространства крупнейших и крупных городов доказывает, что любые инженерные решения - стратегические, тактические и локальные - не должны рассматриваться вне связи с многочисленными местными факторами, оказывающими как непосредственное, так и косвенное влияние на состояние городской среды в процессе строительства метрополитена и последующей эксплуатации построенных объектов. Поэтому качество и продуктивность необходимых защитных инженерных решений существенно возрастут, если они будут выбираться, базируясь на формализованной системе, формируемой на основе системного подхода, предусматривающего увязку природных, экономических, экологических, социальных, технических факторов, в т. ч. рисков, сопровождающих освоение городского подземного пространства.

Ясно, что формирование обобщенной системы защиты городской среды от негативных воздействий горно-строительных работ, детализирующей полную совокупность условий и особенностей подземного строительства и эксплуатации подземных сооружений, является сложнейшей задачей, связанной со значительными затратами времени. Последнее обстоятельство становится чрезвычайно важным и существенным в связи с бурно обостряющимися проблемами урбанизации крупнейших городов Уральского региона. Между тем создание адаптированных систем, отражающих местную специфику и предназначенных для решения конкретных задач строительства метрополитена, позволяет с достаточной степенью достоверности реализовать идею оптимизации защитных мероприятий на основе системного подхода без особых издержек на их формирование. Следует отметить, что любая адаптированная система защиты городской среды может рассматриваться как составляющая обобщенной системы, доступная к дополнению, детализации и корректировке.

Основой для формирования адаптированных систем являются взаимосвязи финансовых поступлений, затрат (на получение исходной информации о состоянии техно-природной среды, горно-строительные и эксплуатационные работы, защиту городской среды, научно-техническое сопровождение мониторинг) и цены значимых рисков, рассматриваемые в динамике с учетом фактора времени. Структура адаптированных систем двухуровневая:

- первый уровень - адаптированные системы «эксплуатация» и «строительство»;

- второй уровень:

подсистемы стадии «эксплуатация», включающие:

поступления, эксплуатационные расходы, налоги и платежи;

инвестиции в строительство и защиту городской среды;

цена рисков;

подсистемы стадии «строительство»:

договорная цена;

капитальные вложения по компонентам: изыскания и проектирование, строительство, защита городской среды, научно-техническое сопровождение;

цена рисков.

Обязательным условием результативного функционирования подсистем второго уровня «цена рисков» является наличие компонентов: «инженерно-геологическое обеспечение», «научно-техническое сопровождение мониторинг».

Динамический характер систем обеспечивается в результате учета фактора времени дисконтированием разновременных поступлений, затрат, платежей, ущербов и т. п. Дисконтирование следует выполнять по квартальным или месячным нормам дисконта E В норме дисконта могут учитываться социальные, экономические и коммерческие риски. коэффициента дисконтирования a_t.

Адаптированные системы защиты городской среды от воздействия горно-строительных работ формируются по многоэтапному принципу. На первом этапе, по данным проектно-сметной документации, формируются подсистемы: «прибыль» или «договорная цена», «эксплуатационные расходы (себестоимость)», «налоги и платежи», «инвестиции». На втором этапе устанавливаются с учетом категорий ответственности объектов значимые факторы риска, определяющие необходимый набор подсистем оценок рисков. Значимые факторы риска могут определяться методом статистической обработки результатов групповой экспертизы, выполняемой по направлениям освоения подземного пространства и видам подземных объектов. На третьем этапе находятся уровни рисков и цена рисков в соответствующих подсистемах, причем определяющие цену рисков уровни рисков целесообразно находить методом Монте-Карло, а потенциальные ущербы - с учетом финансового запаса. Четвертый этап предусматривает формирование вариантов мероприятий по локализации рисков в рамках каждой рассматриваемой подсистемы, включая уточнение инженерно-геологической ситуации и мониторинг.

Критерии адаптированных систем защитных решений определяются в соответствии со стадиями реализации «эксплуатация» и «строительство». Для социально значимых городских подземных объектов понятия: «бездоходные», «частично окупаемые» объекты носят сугубо условный характер. В частности, «комплексная эффективность» [Ю. Е. Крук], ожидаемая от строительства и эксплуатации метрополитена, включает эффекты: от повышения ценности городской территории в районах метрополитена; экономии городской территории; снижения эксплуатационных расходов по наземному транспорту (в среднем составляет 18 %); снижения капиталовложений в наземный транспорт (в среднем составляет 7,5 %); сокращения вредных выбросов в воздушную среду и снижения транспортного шума (в среднем составляет 5 %); снижения дорожно-транспортных происшествий (в среднем составляет 3,5 %); эффект от экономии времени на передвижение и повышение комфортности передвижения (в среднем составляет 38 %); эффект от снижения транспортной усталости (в среднем составляет 28 %); непосредственный доход от эксплуатационной деятельности. Для ориентировочных расчетов социальная значимость метрополитенов в условиях Челябинска и Екатеринбурга, определяемая издержками в денежной форме от несвоевременной сдачи линий в эксплуатацию, может быть оценена величиной 2,5 3,5 млрд р. в год.

На стадии «эксплуатация» подсистема «поступления, эксплуатационные расходы, налоги и платежи» формируется в полном соответствии с действующими Методическими рекомендациями по оценке эффективности инвестиционных проектов и их отбору для финансирования. Вторая подсистема «инвестиции» определяет капитальные вложения (размер инвестиций) заказчика или контрактную стоимость строительства объекта, включая мероприятия по защите городской среды, по одному из четырех типов контрактов подрядной организации: тип «А» - контракт с установленной паушальной (твердой) суммой; тип «B» - контракт с оплатой по объему работ; тип «C» - контракт с возмещением издержек; тип «D» - срочный контракт, предусматривающий выполнение подрядчиком определенной работы в установленный срок.

Как правило, третья подсистема второго уровня «цена рисков» должна рассматривать сумму потенциальных ущербов из r компонентов вследствие сдвижения вмещающего грунтового массива, земной поверхности, зданий, вызванного эксплуатацией подземных сооружений и понижением уровня грунтовых вод; проявлений горного давления в эксплуатируемых выработках; обводненности грунтов; поступления и прорывов поверхностных вод в горные выработки; загрязнения водоносных горизонтов сточными водами; истощения водоносных горизонтов; нарушения режима движения грунтовых вод; вибрационных, ударных и силовых нагрузок, возникающих при эксплуатации подземных сооружений; выделения вредных химических веществ, газовых и пылевых выбросов; загрязнения земной поверхности и почв твердыми отходами; ухудшения радиационной обстановки; превышения допустимого уровня шума; возможных температурных и физико-химических воздействий на зону размещения эксплуатируемого сооружения; вероятности возникновения чрезвычайных аварийных ситуаций, включая аварии в результате негативных природных явлений и др.

Модель третьей подсистемы «цена рисков»:

строительство метрополитен горный городской

T t₁ t₂

S_j З_мt (1 E)^-t P [(1 - Р_обн) У_t (1 E)^-t Р_обн З_лt (1 E)^-t], (1)

tt_кс tt_i1 tt_i2

где S_j - сумма расходов на мониторинг (научно-техническое сопровождение), собственно ущерб от эксплуатационного риска и затрат на локализацию аварийной ситуации; З_мt - расходы на мониторинг (научно-техническое сопровождение); Р - уровень риска, функция от соответствующего компонента - доли капитальных вложений, предусмотренной проектом, в подсистеме «инвестиции»; Р_обн - вероятность своевременного обнаружения опасной ситуации; У_t - ущерб по рассматриваемому компоненту риска; З_лt - затраты на локализацию аварийной ситуации при своевременном обнаружении опасности; t₁ - время окончания работ по ликвидации последствий ущерба; t₂ - время окончания работ по предотвращению или локализации аварийной ситуации.

На стадии «строительство» критерий минимум чистого дисконтированного дохода для подрядной строительной организаций определяется типом контракта. В распространенном случае - контракт с возмещением издержек (тип «C») - обобщенный критерий ЧДД имеет вид:

t_D n t_кс

ЧДД_{тип «С»} [D_t (1 _с)(1 E)-^t K_kt (1 E)-^t -

q t_лс

- W_lt(1 E) ^-t](1 - _c) max, (2)

l1 tt_i

где D_t - договорная цена по контракту в периоды t за вычетом сумм НДС, выплаченных поставщикам за материально-технические ресурсы, стоимость которых относится на издержки производства и обращения (себестоимость строительно-монтажных работ); _с - налог на добавленную стоимость от продажи продукции строительной организации; K_kt - компоненты затрат строительной организации на строительство объекта и природоохранные мероприятия, предусмотренные проектом; W_lt - не предусмотренные проектом фактические издержки подрядчика в ходе строительства, вызванные авариями или их предупреждением; _c - налог на прибыль строительной организации; t_D - время окончания выплат заказчиком по контракту; t_лс - время завершения работ по локализации аварийных ситуаций либо завершения мероприятий по их предупреждению.

Критерий максимума чистого дисконтированного дохода строительной организации по другому распространенному типу контракта «А» с установленной твердой ценой определяется по формуле

t_D n t_кс

ЧДД_{тип «А»} [D_t (1 _с)(1 E)-^t K_kt (1 E)-^t](1 - _c) -

t0 k=1 t0

q t_лс

- W_lt (1 E) ^-t max, (3)

l1 tt_i

отличающейся тем, что все дополнительные издержки подрядчика оплачиваются из его финансовых средств.

Подрядчик, руководствуясь критериями (1), (2), может обоснованно отразить отдельные существенные риски или совокупность рисков при составлении контракта, а также аргументированно показать на тендерных торгах целесообразность внедрения современных высокотехнологических решений, четко выбрать решение в форс-мажорных обстоятельствах.

Подсистему «затраты на строительство и защиту городской среды» целесообразно представить в виде:

n t_кс n_стр t_кс n_згс t_кс

K_kt (1 E)-^t K_стрt (1 E)-^t K_згсt (1 E)-^t

k=1 t0 k_стр=1t0 k_згс=1 t0

t_кс t_кс

И_t (1 E)-^t М_t (1 E)-^t, (4)

t0 t0

где K_стрt - затраты на собственно строительство; K_згсt - затраты на мероприятия по защите городской среды; И_t - планируемые проектом затраты, учитывающие время внесения, при строительстве на дополнительные изыскания, уточнение инженерно-геологической схематизации вмещающих массивов и степени изменчивости физико-технических характеристик грунтов; М_t - проектные затраты на строительный мониторинг (научно-техническое сопровождение).

Компоненты третьей подсистемы «цена рисков на стадии строительства» представлены в модели, оценивающей цену частных рисков с учетом качества научно-технического сопровождения:

t_кс t_c1 t_c2

W_l И_t (1 E)-^t R₁ (1 - Р_{обн и}) У_иt (1 E)^-t Р_{обн и} З_{ил t} (1 E)^-t

t0 tt_l1 tt_l2

t_кс t_c3 t_c4

М_t (1 E)-^t R₂ [(1 - Р_{обн м}) У_мt (1 E)^-t Р_{обн м} З _{мл t} (1 E)^-t], (5)

t0 tt_l3 tt_l4

где W_l - сумма расходов на научно-техническое сопровождение (уточнение инженерно-геологических, гидрогеологических условий и строительный мониторинг) и затрат на локализацию аварийной ситуации; И_t - дополнительные расходы на изыскания и уточнение инженерно-геологической ситуации; R₁ - уровень риска по фактору внезапного вскрытия ослабленных, обводненных зон и линз, крупных пустот, карстовых полостей, заброшенных горных выработок, инженерных сетей, скважин и т. д.; Р_{обн и} - вероятность обнаружения опасной ситуации по исходной уточненной информации; У_иt - ущерб при внезапном вскрытии ослабленных, обводненных зон и линз, крупных пустот, карстовых полостей, заброшенных горных выработок, инженерных сетей, скважин и т. п.; З_{ил t} - затраты на превентивные мероприятия; М_t - дополнительные расходы на строительный мониторинг; R₂ - уровень l-риска - функция от И_t и доли капитальных вложений, предусмотренной проектом, в подсистеме «затраты на строительство и защиту городской среды»; Р_{обн м} - вероятность своевременного обнаружения опасной ситуации, устанавливаемая по ходу мониторинга; У_мt - эколого-экономический и социальный ущерб по l-риску; З_лt - затраты на локализацию аварийной ситуации при своевременном обнаружении опасности; t_c1, t_c2, t_c3, t_c4 - время окончания работ по ликвидации последствий ущерба, предотвращению или локализации аварийной ситуации; t_l1, t_l2, t_l3, t_l4 - время начала вышеуказанных работ.

На основе рассмотренных критериев устанавливается договорная цена:

q t_лс t_D

D (Q / (1 - _с) W_lt (1 E) ^-t) / D_t (1 _с) (1 E)-^t, (6)

l1 tt_j t0

где D - договорная цена; Q оферта (стоимость строительства), выставляемая на тендерные торги; - доля наценки на оферту (в условиях рыночной экономики доля наценки составляет от 0,12 -«жесткая наценка» до 0,2 - «вальяжная наценка»); D_t доля договорной цены, отнесенная к времени внесения платежей.

Целесообразность страхования строительных и эксплуатационных рисков подземных сооружений поясняется очевидным соотношением, позволяющим внести существенное дополнение в рассмотренную систему выбора инженерных решений:

Z - (K V_с V_э) max, (7)

где Z - суммарные поступления от эксплуатации или продажи построенного объекта с учетом расходов на эксплуатацию и налогов; K - суммарные затраты на строительство; V_с - страховая премия при страховании рисков в стадии строительства; V_э - страховая премия при страховании эксплуатационных рисков.

Исходными оценочными показателями, образующими базу сравнения вариантов, являются критерии и модели ЧДД, СО, ВНД, СДЗ, приведенные в диссертации. Вычисления рекомендуется выполнять с различными страховыми тарифами, например, 0,5 %, 1,0 %, 1,5 %, 2,0 %, 2,5 %.

Завершающая процедура анализа эффективности страхования строительных и эксплуатационных рисков состоит в сравнении показателей исходных вариантов, использующих вероятностные оценки рисков, и варианта страхования рисков с варьируемыми страховыми тарифами. За оптимальный принимается вариант с максимальным значением чистого дисконтированного дохода, причем в варианте страхования, если он окажется наилучшим, будет автоматически установлен рациональный уровень страхового тарифа.

3. Значимость и цена рисков, сопровождающих строительство и эксплуатацию метрополитена

Если в процессе формирования систем защиты городской среды оценена вся совокупность природно-технических рисков, несложно определить долю влияния каждого фактора риска на систему в целом либо на ее подсистемы первого и второго уровней, сопоставив найденные цены рисков. При этом нельзя исключить возможность переоценки или недооценки отдельных факторов риска. Какие-то факторы вообще могут быть не приняты во внимание. Поэтому простая эвристическая процедура - групповая экспертиза, дополняющая традиционное экономическое оценивание, является весьма полезным инструментом, уточняющим роль каждого фактора риска и его воздействие на систему или ее подсистемы. В табл. 1, 2 приведены результаты, полученные от 11 экспертов, оценки рисков двух строящихся объектов Челябинского метрополитена: перегонного тоннеля и станции.

Цена фактора риска устанавливается размером ущерба по рассматриваемому фактору, умноженному на уровень риска. В конкретных ситуациях при установлении цены рисков необходимо учесть:

а) неопределенность размеров ущерба, который может изменяться в широком диапазоне, например, от вызванного незначительными повреждениями здания или сооружения до последствий их полного разрушения;

б) изменения ситуации во времени и, следовательно, момента наступления аварии;

в) влияние срока «старения» или степени «износа» повреждаемого объекта.

Очевидно, единой методики определения цены рисков, снимающей указанные неопределенности, быть не может, что обусловлено назначением и характером строящихся подземных объектов. Вместе с тем в сочетании с дифференцированным подходом к определению цены рисков на стадии строительства подземных объектов можно руководствоваться следующими положениями:

- ущерб по многим факторам риска складывается из совокупности составляющих, носящих разновременный характер, в силу чего расчеты ущерба в стоимостной форме должны приводиться к единому моменту времени;

- если отсутствует специальная информация (нормативы, аналоги и др.) или возникают трудности с оценкой совокупного ущерба по общей теории рисков или теории принятия решений в условиях неопределенности, потенциальный ущерб в моделях выбора решений должен устанавливается с соблюдением принципа «финансового запаса»: а) принимается максимальный ущерб из возможных негативных реализаций; б) в том случае, когда мониторинг состояния строящегося или эксплуатируемого подземного объекта не производится и процесс возникновения аварийной ситуации не прогнозируется, за время возникновения аварии выбирается минимальное значение, определяющее наихудший сценарий развития событий.

Таблица 1

Статистические оценки результатов групповой экспертизы.

Объект перегонный тоннель, сооружаемый ТПК с активным пригрузом забоя

Фактор риска i	Вес фактора Vi	Ранг	Коэффициент конкордации W
Деформации земной поверхности, зданий и сооружений	0,113	5	0,846
Проявления горного давления	0,061	8
Деформации обделки	0,123	4
Внезапное вскрытие ослабленных, обводненных зон, линз, пустот и полостей, заброшенных горных выработок и скважин, инженерных сетей	0,142	2,5
Резкая изменчивость геологического строения и физико-механических характеристик вмещающих грунтов	0,147	1
Обводненность вмещающего массива	0,142	2,5
Выбросы пыли и газов, выделение вредных химических веществ	0,022	11
Загрязнение городской среды производственными отходами и стоками	0,054	9
Повышение радиационного фона в районе строительства	0,026	10
Шум и вибрация	0,074	7
Технологические риски	0,090	6

Таблица 2

Статистические оценки результатов групповой экспертизы. Объект станция глубокого заложения, возводимая под руслом реки с применением взрывных работ

Фактор риска i	Вес фактора Vi	Ранг	Коэффициент конкордации W
Деформации поверхности и вмещающего массива	0,096	6	0,793
Проявления горного давления (обрушения, вывалы, конвергенция)	0,121	4
Сейсмическое воздействие взрывов	0,083	7
Деформации и разрушения временной крепи	0,101	5
Деформации обделки	0,043	9
Внезапное вскрытие разломов, крупных тектонических трещин и ослабленных контактов	0,125	3
Погрешность в оценках границ ИГЭ и изменчивости физико-механических свойств вмещающих грунтов	0,076	8
Подтопление горных выработок подземными водами	0,157	1
Прорыв поверхностных вод	0,143	2
Выбросы пыли и газов, выделение вредных химических веществ	0,022	11
Загрязнение городской среды отходами и стоками	0,033	10

Оценку ущербов при строительстве метрополитена следует выполнять с учетом всех типов природно-технических рисков. При этом факторы риска при технико-экономической оценке ущербов целесообразно учесть геомеханической, технологической и организационной компонентами, причем ущербы, вызванные технологическими и организационными факторами, должны находиться на основании статистических данных, экспертных заключений и по показателям: «коэффициент использования рабочего времени», «коэффициент простоя», «коэффициент готовности». Геомеханический ущерб, характеризующийся наиболее тяжелыми последствиями, следует рассматривать как важнейшее звено в системе выбора защитных инженерных решений.

4. Методика оценки уровней риска

В качестве базового инструмента оценивания уровней риска использован метод Монте-Карло. Отличительные особенности применяемой методики оценки уровней рисков генерация случайных чисел в соответствии с установленными законами распределения для входных параметров моделей систем и подсистем выбора решений; единичная вероятностная оценка выходных массивов по заданному критерию и получение набора интервальных вероятностных оценок в границах интервалов, устанавливаемых по отношению разности между максимальным и минимальным случайными числами к числу интервалов. Проблема обеспечения высокой надежности решается организацией специального цикла в общей схеме реализации метода с максимальным числом генераций, равным 15000 (условие выхода из цикла: заданная точность расчета должна быть меньше или равна разности рисков по сумме генераций на шаге m и по сумме генераций на шаге m - 1, рис. 1).

Для упрощения процессов создания и отладки программного обеспечения разработан «имитационный конструктор» Основная идея конструктора заключается в формировании специальной таблицы-конструктора с комментариями, в которой размещена «базовая» программа, разделенная на стационарные (неизменяемые) фрагменты и фрагменты, подлежащие реконструкции. В результате трудоемкость конструирования любой новой программы сводится к минимуму, определяемому, главным образом, затратами на создание фрагмента, в котором выполняется детерминированное решение вновь поставленной задачи. Переход от детерминированного расчета к генерации массивов выходных случайных чисел осуществляется следующим образом: фрагмент детерминированного расчета с переменными M(K), здесь K 1, 2, 3, …, копируется в тело цикла FOR I=1 TO NN … NEXT I (NN число генераций), после чего переменные M(K) на заменяются на случайные входные числа B1(K,I).

43

Размещено на http://www.allbest.ru/

43

Размещено на http://www.allbest.ru/

5. Оценка качества комплексного мониторинга

Качество комплексного мониторинга, P_Н, устанавливается по соотношению

P_Н1V_q(1(P₁P₂P₃)_q, (8)

где Р₁, P₂ функции от точности и периодичности измерений; P₃ функция от числа контрольных пунктов; V_q коэффициент значимости метода наблюдения, устанавливаемый экспертами; q индекс способа измерения, q 1, t.

Мерой своевременного обнаружения опасной ситуации может служить достоверность периода упреждения (времени), устанавливаемая в ходе прогноза состояния контролируемого объекта по методу статистической экстраполяции трендов. Таким образом, качество комплексного мониторинга будет определяться с учетом P_Н суммарными достоверностями по его компонентам:

(9)

где качество комплексного мониторинга; качество мониторинга по q-способу; P достоверность прогноза; P_К вероятность, отражающая нестабильность горизонта прогноза.

В качестве примера в табл. 3, 4 приведены исходные данные и результаты оценки качества комплексного мониторинга.

Таблица 3

Смещения реперов во времени

Время, сут.	Смещения, мм
	Номера реперов
	1	2	3	4	5	6	7	8	9
1,58 4,25 8,58 13,33 14,33	- - 3,5 10,0 12,0	- 2,0 19,0 28,5 32,0	- 10,0 29,0 11,0 47,0	19,0 23,0 33,5 47,5 53,0	18,0 24,0 27,0 45,5 58,0	12,5 17,0 18,5 46,5 56,0	- 8,5 26,0 50,0 61,0	- 4,0 13,0 55,0 71,0	- 6,0 16,0 62,5 85,0

Таблица 4

Период упреждения с учетом нестабильности горизонта прогноза

Горизонт прогноза, мм	Достоверность горизонта прогноза	Период упреждения в сут. для достоверности прогноза с учетом поправок на экстраполяцию
		0,99	0,95	0,90	0,80	0,60
80	0,5000	3,719	5,181	5,598	6,988	8,398
60	0,8665	0,839	2,253	2,987	3,881	5,106
50	0,9515	Объект в крити-ческом состоянии	0,1279	0,882	1,756	2,901
30	0,9972	Объект в критическом состоянии
Совместная достоверность прогноза
80	0,5000	0,4950	0,4750	0,4500	0,4000	0,3000
60	0,8665	0,8578	0,8232	0,7798	0,6932	0,5199
50	0,9515	-	0,9039	0,8564	0,7612	0,5709
30	0,9972	-	-	-	-	-

Примечание. Допустимый интервал прогноза 8 сут.

Статистики горизонта прогноза: среднее выборочное 80 мм; стандарт 18 мм.

Достоверности горизонта прогноза найдены для аргумента x (80 - y_к)/18.

6. Реализация адаптированных систем защиты городской среды и их компонентов

В краткой форме излагаются два примера реализации адаптированных систем.

В табл. 5, 6, 7 приведены исходные данные и результаты оценки договорной цены на строительство подземного комплекса, совмещенного со станцией метрополитена.

Таблица 5

Исходные данные

Показатели	Варианты
	1	2
Тип контракта (см. 2.2); Размер оферты, млн р.; Планируемый срок окончания строительства; Договорная цена выплачивается долями: Норма дисконта; Дисконтированная полная цена рисков, млн р.; Время наступления рисковой ситуации; Продолжительность локализации аварии; Налог на добавленную стоимость, %; Налог на прибыль, %.	«С» 200 8-й квартал 50 % - с момента начала строительства; 25 % в 4-м квартале и 25 % в 8-м; 1,035558 38,5 5-й квартал Два квартала 18 24	«С» 250 6-й квартал 50 % - с момента начала строительства; 25 % в 3-м квартале и 25 % в 6-м; 1,035558 14,0 4-й квартал Один квартал 18 24

Примечание. Вариант 1 предусматривает использование традиционной технологии строительства, вариант 2 новой технологии.

Таблица 6

Определение договорной цены на строительство подземного комплекса. Вариант 1

Фактический срок окончания строительства, квартал	10
d (0,50,25((1-E)-4(1-E)-10))(1-с)	0,733
a Q / (1 - с), млн р.	31,58
Доля наценки,	0,12
Ход дисконтирования квартальных стоимостей строительства и ущерба от аварии в млн р. b14, 710 (Q/tкс)(1E)t; b5 38,5/2 (1-E)-5; b6 38,5/2 (1-E)-6	24,14 23,31 22,51 21,74 16,16 15,61 19,58 18,90 18,25 17,93
Суммарный результат дисконтирования B, млн р.	197,8408
Договорная цена, млн р. D (a B)/d	313,0693
Чистый дисконтированный доход подрядчика, млн р.	24,0

Таблица 7

Определение договорной цены на строительство подземного комплекса. Вариант 2

Фактический срок окончания строительства, квартал	7
d (0,50,25((1-E)-4(1-E)-10)) (1-с)	0,755
a Q / (1 - с), млн р.	39,47
Доля наценки,	0,12
Ход дисконтирования квартальных стоимостей строительства и ущерба от аварии в млн р. b13, 57 (Q/tкс)(1E)t; b4 14 (1-E)-4	40,24 38,85 37,52 12,17 34,99 33,77 32,63
Суммарный результат дисконтирования B, млн р.	230,185
Договорная цена, млн р. D (a B)/d	357,1066
Чистый дисконтированный доход подрядчика, млн р.	30,0

Договорная цена строительства по новой технологии существенно увеличилась (357,1066 > 313,0693), вместе с тем снизилась цена рисков, сократился фактический срок сдачи объекта заказчику. Чистый дисконтированный доход заказчика, вычисленный в соответствии с Методическими рекомендациями по оценке эффективности инвестиционных проектов … возрастает с 172,063 до 191,403 млн р.

Обоснование целесообразности внедрения высокотехнологичных горнопроходческих комплексов (с целью сдачи пускового участка первой линии Челябинского метрополитена в 2012 г.) выполнено с учетом эколого-экономических составляющих неполученной «комплексной эффективности от строительства и эксплуатации метрополитена», Э, по критерию:

TT t_кс r t_л

ЧДД_а Э (1 E)-^t K_t (1 E)-^t З_нт S_jt (1 E) ^-t min, (10)

t0 t0 j1 tt_j

где З_нт затраты на приобретение новой техники, индекс суммирования (T T) фактическое время ввода метрополитена (пускового участка линии) в эксплуатацию с учетом комплекса факторов риска, оказывающих влияние на продолжительность строительства.

Сопоставляемые варианты строительства на участке: станция «Комсомольская площадь» станция «Площадь Революции» сбойка с пройденными тоннелями в районе станции «Торговый центр»:

1 строительство тоннелей с использованием традиционного буровзрывного способа и существующего ТПК (тоннельного проходческого комплекса) фирмы «Ловат»;

2 строительство тоннелей с использованием буровзрывного способа и двух ТПК «Ловат» существующего и вновь приобретаемого.

Темпы строительства перегонных тоннелей, затраты на проходку (стоимость одного погонного метра) и приобретение ТПК указаны в табл. 8.

Таблица 8

Основные технико-экономические показатели способов «ТПК “Ловат”» и «БВР»

Способ проходки	Темп строительства, м/месяц	Затраты на приобретение ТПК, млн р.	Стоимость 1 пог. м, тыс. р.
Буровзрывной	25		458,5
Существующий ТПК	84		299,3
Модернизированный ТПК	До 200	300	550,0

Особенности формируемой модели:

критический путь строительства определяется темпами проходки перегонных тоннелей. Станции и др. объекты метрополитена сооружаются параллельно. Путевые, монтажные и пуско-наладочные работы не рассматриваются в силу сопоставительного характера рассматриваемой задачи;

проходка перегонных тоннелей пускового участка выполняется по многозабойной схеме;

горизонт расчета модели определяется отношением протяженности перегонных тоннелей, 2790,5 м (на критическом пути) к темпу их проходки: буровзрывной способ (двумя встречными забоями) Т 56 мес.; с использованием существующего ТПК Т 33 мес.; приобретаемого ТПК Т 28 мес.;

дисконтирование помесячное, коэффициент дисконтирования 1,006434;

комплексная эколого-экономическая эффективность от строительства и эксплуатации пускового участка Э_общ составляет 3,5 0,25 0,875 млрд р./год;

период T разделяется на две составляющие: 1 увеличение сроков строительства вследствие технологического риска; 2 увеличение сроков строительства пускового участка, вызванно реализацией геотехнических факторов риска. В качестве последних по результатам групповой экспертизы отобрано пять факторов: резкая изменчивость геологического строения и физико-механических характеристик вмещающих грунтов; внезапное вскрытие ослабленных, обводненных зон, линз, пустот и полостей, заброшенных горных выработок и скважин, инженерных сетей; обводненность вмещающего массива; деформации обделки; деформации земной поверхности, зданий и сооружений;

вмещающий массив пускового участка подразделяется на четыре литологические разности, характеризующие его изменчивость: граниты, кварцевые диориты, P_z3; гнейсы, Q_2:3; порфириты, диабазы, D_2:3; суглинки, eM_z;

оценка геотехнических рисков выполнена с учетом вероятностного характера исходной информации по программам УГГУ и программам, разработанным с помощью имитационного конструктора.

затраты на мониторинг 0,3 млн р./мес.;

размеры ущербов по факторам риска находятся по принципу финансового запаса;

Цифровые модели обоснования эффективных инженерных мероприятий по защите городской среды:

- вариант «ТПК»:

- вариант «БВР»:

Таким образом, способ ТПК по сравнению с буровзрывным способом проходки обладает несомненными преимуществами: сумма издержек при строительстве пускового участка первой линии Челябинского метрополитена сокращается на 1,293 млрд р., продолжительность строительства - на 1,67 года, совокупная цена рисков в 2,8 раза.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации решена задача создания технико-экологических моделей оценки рисков в формализованной системе защиты городской среды для обоснования инженерных решений, имеющая существенное значение при строительстве метрополитенов.

Основные результаты диссертации состоят в следующем:

1. Разработаны и реализованы технико-экологические модели оценки рисков, а также принципы формирования адаптированных систем защиты городской среды от негативного влияния горных работ при строительстве метрополитенов в рамках обобщенной системы, основой которых являются взаимосвязи финансовых поступлений, затрат (на горно-строительные работы, получение исходной информации о состоянии техно-природной среды и ее мониторинг) и цены значимых рисков, рассматриваемые в динамике с учетом фактора времени.

2. Разработана методика определения значимых факторов риска, оказывающих при строительстве метрополитенов крупнейших городов Урала наиболее существенное влияние на городскую среду, дифференцирующая основные типы подземных сооружений (тоннель, станция, вестибюль) метрополитена с последующей сравнительной эколого-экономической оценкой цены факторов как произведения уровней рисков на потенциальный ущерб.

3. Показано, что качество комплексного мониторинга техно-природной среды определяется суммарной достоверностью определения «периодов упреждения» по компонентам комплексного мониторинга с учетом нестабильности уровней, на которые ведется прогнозирование.

4. Разработана методика обоснования эффективных инженерных решений в системе защиты городской среды от воздействия горных работ, предусматривающая для строительной организации реализацию по критериям минимизации суммарных дисконтированных затрат и цены рисков или максимизации чистого дисконтированного дохода, причем определяющие цену рисков уровни рисков устанавливаются методом Монте-Карло, а потенциальные ущербы - по принципу финансового запаса.

5. Разработаны алгоритмы и программы для обоснования защитных инженерных мероприятий, приведены конкретные примеры выбора решений, в частности, определения договорной цены на строительство подземного комплекса с использованием современной технологии и целесообразности внедрения современных горнопроходческих комплексов при строительстве пускового участка Челябинского метрополитена.

6. Результаты выполненных исследований предназначены для реализации в организациях, ведущих работы по освоению подземного пространства крупнейших и крупных городов.

7. Положения и рекомендации диссертации использованы при проектировании и строительстве перегонных тоннелей и станций Челябинского метрополитена (ООО «Институт Челябинскдортранспроект», МУП «Челябметротрансстрой»).

...