Обоснование методологии и разработка инновационных технических решений освоения подземного пространства мегаполисов

1

Размещено на http://www.allbest.ru//

2

Размещено на http://www.allbest.ru//

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

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Обоснование методологии и разработка инновационных технических решений освоения подземного пространства мегаполисов

Левченко Александр Николаевич

Москва 2009

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Московский государственный горный университет» на кафедре «Строительство подземных сооружений и шахт»

Научный консультант

доктор технических наук, профессор

Корчак Андрей Владимирович

Официальные оппоненты:

Иофис Моисей Абрамович, доктор технических наук, профессор

Малкин Анатолий Степанович, доктор технических наук, профессор

Корнилков Михаил Викторович, доктор технических наук, профессор

Ведущая организация

Санкт-Петербургский государственный горный институт им. Г.В. Плеханова (технический университет)

Защита состоится « » 2009 года в ____час. на заседании диссертационного совета Д 212.128.05 при Московском государственном горном университете по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский проспект, д. 6.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного горного университета

Автореферат разослан « » 2009 года

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор технических наук, профессор В.В. Мельник

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Составной частью глобальной научно-технической проблемы комплексного освоения недр Земли является освоение подземного пространства, связанное с многофункциональным использованием природных и техногенных полостей для размещения в них различных объектов жизнеобеспечения. Основополагающей идеей освоения подземного пространства является принцип его использования и сохранения как видоизменяемого георесурса.

Из общей проблемы освоения подземного пространства в качестве исключительно важного направления следует выделить освоение подземного пространства мегаполисов. Мировой опыт градостроительства свидетельствует о том, что решение широкого круга социально-экономических, архитектурно-планировочных и экологических проблем городов невозможно без планомерного и комплексного использования их подземного пространства.

Сегодня такое использование рассматривается уже не как один из возможных, а как безальтернативный вариант оптимального развития городов-мегаполисов. Важность и необходимость решения возникающих в связи с такой постановкой задач нашли отражение, в частности, в принятой Правительством Москвы «Концепции освоения подземного пространства и основных направлениях развития подземной урбанизации города Москвы» (2008 г.), в рамках которой предполагается ежегодно увеличивать объемы подземного строительства на 150 тыс. м2. К 2010 г. предстоит довести этот показатель с 700 тыс. до 1 млн. м2 в год, что составит около 15% от общего объема строительства.

Под землей планируется разместить до 70% всех гаражей, до 80% складских помещений, до 30% объектов сферы услуг, до 15% от общего объема строительства многофункциональных комплексов, а также 9 многофункциональных транспортных узлов, 43 транспортных тоннеля, 135 подземных переходов, 136 подземных автостоянок, объекты инженерной инфраструктуры обеспечения жизнедеятельности и объекты производственного назначения.

Анализ зарубежного опыта освоения подземного пространства мегаполисов показывает, что оптимальные условия для обеспечения устойчивого развития и комфортного проживания достигаются при доле подземных сооружений от общей площади вводимых объектов в 20-25%. В настоящее время этот показатель для г. Москвы составляет всего 8%.

Решение таких масштабных задач невозможно без дальнейшего развития и совершенствования законодательной и нормативной базы градостроительного и технического проектирования, разработки научно обоснованной методологии освоения подземного пространства, нового научного подхода к строительству подземных сооружений, трансформации фундаментальных научно-технических достижений и передового опыта в новые технологические процессы, используемые при освоении подземного пространства и обеспечивающие максимальное сокращение экономических, технических, экологических и организационных рисков. При этом в основу указанной методологии должен быть положен системный подход, в соответствии с которым подземное пространство рассматривается как единая система, состоящая из совокупности взаимодействующих на основе соответствующих функциональных и паразитных связей природно-технических объектов, выполняющих общую задачу жизнеобеспечения города.

С точки зрения приоритетности решаемых подземной инфраструктурой города задач, а также уровня и вероятности потенциальных рисков к наиболее значимым подсистемам должны быть отнесены прежде всего подземные инженерные коммунальные сети - коллекторы тепло-, газо-, электросетей, водопровода, канализации и т.д.

В соответствии с изложенным обоснование методологии освоения подземного пространства, рассматриваемого как единая природно-техническая система жизнеобеспечения мегаполиса, а также разработка инновационных решений в области техники, технологии и организации работ, основанных на новых фундаментальных знаниях, доведенных до промышленного внедрения при строительстве инженерных коммунальных систем, являются актуальной научной проблемой, имеющей существенное значение для повышения эффективности и эксплуатационной надежности объектов подземного градостроительства.

В диссертационной работе такими инновационными техническими и технологическими решениями являются обделки коллекторных тоннелей (как приоритетных городских подземных сооружений) нового технического уровня и технологии их изготовления, обеспечивающие уровень надежности конструкций, недостижимый при частичном их совершенствовании.

Целью работы являются обоснование методологии и разработка инновационных технических решений на основе установления закономерностей формирования инфраструктуры подземного пространства мегаполисов, статической работы и надежности элементов новых конструкций обделок, анализа рискобезопасности технологических и организационных процессов строительства коммунальных тоннелей для повышения эксплуатационных качеств подземных сооружений, снижения материальных и трудовых затрат, что имеет важное значение в развитии экономики городского хозяйства и ускорении научно-технического прогресса при освоении подземного пространства мегаполисов.

Для достижения поставленной цели необходимо:

проанализировать опыт освоения подземного пространства мегаполисов, уровень нормативно-правовой базы в области городского подземного строительства и на этом основании определить приоритетные направления, объекты и схемы освоения подземного пространства;

исследовать горно-геологические условия для выявления уровня их сложности и типизировать по степени благоприятности строительства;

составить карты степени благоприятности строительства на различных глубинах заложения подземных объектов; определить области применения способов и методов подготовки массива, используя критерии оптимизации;

разработать математическую модель выбора способов и методов подготовки массива, что в совокупности с требованиями градостроительства составит научную основу для формирования оптимальной подземной инфраструктуры города;

разработать структурную модель устойчивого функционирования природно-технической геосистемы «подземное сооружение - окружающая среда», обеспечивающую внедрение инновационных технических решений при освоении подземного пространства мегаполисов;

проанализировать риски возникновения аварийных ситуаций при строительстве и эксплуатации подземных сооружений и определить «слабое звено» в технологиях подготовки массива, применяемых материалах и конструкциях;

разработать основополагающие принципы формирования системы нормативных документов для освоения подземного пространства г. Москвы;

исследовать закономерности статической работы высокоточных обделок коллекторных тоннелей, установить особенности формирования их напряженно-деформированного состояния в сравнении с типовыми обделками, разработать способы их защиты с помощью футеровок из новых долговечных материалов; разработать методику прогнозирования надежности и определения параметров обделки коммунальных тоннелей, а также оценить в сопоставлении надежность технических решений типовых и новых типов обделок; подземный сооружение блок футеровка

разработать принципиально новую технологию изготовления блоков высокоточной обделки с полимерной футеровкой;

провести стендовые испытания новых обделок из высокоточных железобетонных блоков с полимерной футеровкой, обеспечивающих инфильтрационную надежность, коррозионную и абразивную стойкость;

провести экспериментальные исследования и опытно-промышленную проверку разработанных методологических принципов проектирования и технических решений для наиболее трудоемких технологических процессов на примере строительства кабельных и канализационных коллекторов.

Основная идея работы заключается в использовании концепции освоения подземного пространства мегаполисов, основанной на тесной взаимоувязке с общим развитием городских территорий, и внедрении инновационных технологий, обеспечивающих качественно новый уровень строительства подземных сооружений.

Методы исследований. Для решения поставленных задач использовались методы системного анализа, аналитические и экспериментальные методы исследований статической работы обделок коллекторов, методы математической статистики для прогнозирования надежности различных конструкций обделок, лабораторные и стендовые натурные эксперименты по оценке работоспособности высокоточных обделок, опытно-промышленная проверка полученных результатов.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Решающим фактором повышения эффективности освоения и сохранения подземного пространства мегаполисов как видоизменяемого георесурса является планомерный и комплексный характер застройки пригодных для этого участков массива как в сложившейся части города, так и в развивающихся его районах, в функциональной и архитектурно-композиционной взаимосвязи с поверхностной планировкой застройки городских территорий.

2. Минимизация ущерба от последствий негативных проявлений природных, технических, экономических и организационных рисков является основным принципом обоснования и разработки инновационных решений городского подземного строительства, интегрированно учитывающим его особенности.

3. Эффективность проектирования строительства подземных сооружений и, в частности, формирования подземной инфраструктуры, определяется уровнем типизации как самих элементов единой сложной геосистемы "массив - технология - подземное сооружение - окружающая среда", так и их взаимосвязей, учитывающих изменение техногенных и антропогенных факторов, путем управления технологическими параметрами строительства, чем и обеспечивается устойчивое функционирование подземного сооружения на период всего жизненного цикла.

4. Представление подземного пространства как сложной активной и нелинейной системы требует применения различных методов контроля ее отдельных подсистем с учетом их возможного взаимовлияния в режиме непрерывного или дискретно-непрерывного мониторинга с целью сведения к минимуму возможных негативных проявлений и тем самым обеспечения основного принципа - минимизации ущерба.

5. Надежность инженерных конструкций подземных сооружений из разработанных высокоточных железобетонных элементов в 1,5 - 2,0 раза выше чем у типовых, что обеспечено формированием оптимального напряженно-деформированного состояния, при котором сечения их стыковых соединений, в отличие от типовых конструкций, не являются критичными по несущей способности. Доказано, что несущая способность конструкций может быть также увеличена за счет количества рабочей арматуры, преимущественно во внутреннем арматурном каркасе по сравнению с внешним каркасом (несимметричное армирование).

6. Применение разработанной футеровки, состоящей из полимерных композиционных материалов (ПКМ) и армированной стекловолокном, с высокими абразивными (на порядок выше, чем у обычных бетонов) и прочностными свойствами, обеспечивает повышение срока службы канализационных тоннелей более чем в 3 раза, сокращение стоимости строительства на 25%, снижение трудоемкости в 5 раз и сокращение сроков строительства в 4 раза.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:

-корректным использованием математических моделей, созданных на основе апробированных аналитических методов при составлении расчетных алгоритмов;

-использованием стандартных методик проведения лабораторных исследований на сертифицированных приборах и оборудовании;

-удовлетворительной сходимостью результатов аналитических исследований, лабораторных и производственных экспериментов;

-положительными результатами производственных испытаний и промышленным внедрением результатов исследований.

Научное значение и новизна работы заключаются в следующем:

1.Сформулирована концепция формирования и функционирования сложных природно-геотехнических систем, к которым относятся объекты городского подземного строительства, положенная в основу методологии строительства подземных сооружений с использованием гибких управляемых технологических процессов, которая позволяет обеспечивать освоение и сохранение подземного пространства как видоизменяемого георесурса.

2. Обоснован принцип устойчивого функционирования сложных природно-технических геосистем, базирующийся на динамической взаимосвязи всех элементов, обеспечивающий проектирование и строительство подземных сооружений в соответствии с функциональным назначением, техническими, экономическими и др. требованиями и позволяющий прогнозировать условия развития на период всего жизненного цикла подземного сооружения.

3. Разработана классификация функциональных, горно-технологических, экономических и антропогенных критериев для обоснования конструктивных и технологических решений по проектированию и строительству подземных сооружений, учитывающих снижение капитальных вложений, сохранение окружающей среды, устойчивость функционирования подземного сооружения, а также конкурентоспособность на мировом рынке технологий.

4. Показано, что инженерно-геологическое районирование верхней части земной коры московского мегаполиса с учетом геоморфологических, геологических, гидрогеологических и техногенных особенностей массивов горных пород позволяет выполнить проектирование строительства подземных сооружений при минимальных объемах инженерно-геологических изысканий.

5. Разработана методика оценки рисков возникновения аварийных ситуаций при строительстве и эксплуатации подземных сооружений, включающая возможность учета функциональных, технических, экологических и экономических требований.

6. Установлено, что применяемые комбинированные обделки коллекторных тоннелей из трапециевидных блоков с внутренней железобетонной рубашкой отличаются низкой несущей способностью по фактору прочности стыков между блоками. Увеличение количества арматуры в блоках практически не увеличивает несущей способности обделки, что свидетельствует о необходимости ее конструктивных изменений.

7. Установлены принципиальные отличия статической работы обделок из высокоточных блоков в сравнении с типовыми, дана прогнозная оценка повышения показателя их надежности и экономической эффективности.

8. Показано, что повышение эксплуатационной надежности, герметичности и долговечности кабельных и канализационных коллекторов при снижении эксплуатационных затрат обеспечивается научно обоснованными параметрами обделки нового технического уровня из высокоточных железобетонных блоков, изготовленных из тяжелых бетонов по прочности на сжатие В45, по водонепроницаемости W12, морозостойкости не ниже F100, армированных поперечными плоскими каркасами и гнутыми стержнями, объединенными в объемные пространственные каркасы, позволяющими достичь экономии металла до 30%, при высокой несущей способности блоков, допускающей минимальные отклонения при их сборке в тоннелях от проектных параметров.

Практическое значение исследований:

1. Разработан проект нормативного документа «Система нормативных документов в подземном строительстве. Основные положения», определяющего цели, принципы и задачи нормативной деятельности, а также общую структуру системы нормативных документов в подземном строительстве.

2. Разработана методология геолого-технологического районирования и зонирования территории Москвы, которая позволила определить степень пригодности участков для подземного строительства объектов различного назначения в зависимости от глубины их заложения, типа вмещающих пород, степени обводненности массива с точки зрения технических возможностей, экономических и экологических последствий принимаемых решений.

3. Разработаны классификации горно-геологических условий с соответствующими им методами подготовки и способами воздействия на массив горных пород, а также критериев оценки эффективности функционирования сложных природно-технических систем, которые позволяют на стадии проектирования строительства подземных сооружений прогнозировать последствия техногенных воздействий и определять эффективные технические решения.

4. Разработаны расчетно-аналитические алгоритмы оптимизации параметров многослойных (комбинированных) обделок городских коммунальных коллекторов, которые доведены до инженерных расчетов и ведомственных нормативных документов, повышающих обоснованность и надежность проектирования.

5. Разработаны обделки нового технического уровня на основе комплексного учета функциональных, технических, экологических и экономических требований, основанных на результатах фундаментальных научных исследований, превосходящие по показателям несущей способности, технологичности изготовления, эксплуатационной надежности и долговечности все прежние аналоги.

6. Разработана технология строительства коммунальных коллекторов с применением высокоточных железобетонных блоков без возведения вторичной обделки («рубашки»).

Реализация результатов работы. Результаты исследований приняты к использованию в ГУП «Мосинжпроект» и в ООО «Институт «Каналстройпроект» в качестве составной части проектных разработок магистральных кабельных и канализационных тоннелей в условиях аварийного напорного режима сточных вод в виде «Временных рекомендаций по расчетному прогнозированию конструктивной надежности комбинированных обделок проектируемых магистральных канализационных тоннелей» (2003 г.), «Временных рекомендаций по расчетному прогнозированию конструктивной надежности комбинированных и высокоточных обделок кабельных и канализационных коллекторов» (2008 г.), вошли в «Руководство по применению микротоннелепроходческих комплексов и технологий микротоннелирования при строительстве подземных сооружений и прокладке коммуникаций закрытым способом» (2004 г.), в «Концепцию освоения подземного пространства и основные направления развития подземной урбанизации города Москвы» (2007 г.), в «Концепцию формирования нормативных документов по освоению подземного пространства г. Москвы» (2008 г.).

Разработанная новая технология изготовления высокоточных блоков с полимерной футеровкой защищена двумя патентами (2007, 2008 гг.).

Технология производства блочной обделки из высокоточных железобетонных блоков, в том числе с полимерной футеровкой для строительства кабельных и канализационных коллекторов впервые внедрена в производство в Российской Федерации в ОАО «Моспромжелезобетон». По состоянию на 31.05.2009 г. изготовлено более 47000 блоков для кабельных тоннелей и впервые в мировой практике изготовлено 3000 блоков с полимерной футеровкой.

Технология строительства коллекторов с применением высокоточных железобетонных блоков без возведения вторичной обделки («рубашки») впервые внедрена в отечественной практике на предприятиях ОАО «СУПР», ООО «Инжстрой-Сити-монолит», ЗАО «Термосервис» и в ООО «Спецстрой-Инженеринг». По состоянию на 31.05.2009 г. успешно пройдено за два года более 8,0 км кабельных и канализационных тоннелей в г. Москве. Впервые в мировой практике начато строительство опытного участка Царицынского канализационного коллектора с применением блоков с полимерной футеровкой.

Апробация работы. Основные результаты работы, отдельные положения и разделы диссертации докладывались и получили одобрение на Международной конференции «Проблемы освоения подземного пространства» (Тула, 2000 г.), Международной научно-практической конференции «Подземный город-2004» (Москва), Международной научно-практической конференции «Проблемы подземного строительства в XXI веке» (Тула, 2004 г.), Китайско-Российском научно-техническом симпозиуме, КНР (Пекин, 2005 г.), VI Всероссийском симпозиуме по прикладной и промышленной математике (Санкт-Петербург, 2005 г.), Международной научно-технической конференции «Технологии, оборудование, материалы, нормативное обеспечение и мониторинг для тоннельного строительства и подземных частей высотных зданий» (Москва, 2006 г.), Международной научно-практической конференции «Освоение подземного пространства городов: преодоление сложных геологических и градостроительных условий» (Москва, 2007 г.), Международной научно-практической конференции «Передовые технологии, оборудование и методы инженерно-геологических и геофизических изысканий и исследований при строительстве подземных сооружений» (Москва, 2007 г.), Международной конференции «Особенности освоения подземного пространства и подземной урбанизации в крупных городах-мегаполисах» (Москва, 2008 г.), на заседаниях Круглого стола «Научные проблемы освоения подземного пространства г. Москвы» научного симпозиума «Неделя горняка», МГГУ- УРАН ИПКОН (Москва, 2003-2009 гг.).

Публикации. По теме диссертации лично и в соавторстве опубликованы 54 работы, в том числе 5 монографий, 13 статей в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России, 3 отраслевых руководства, получены 2 положительных решения Роспатента по заявкам на изобретения.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы из 225 наименований, содержит 55 рисунков и 54 таблицы.

Характер работы требовал привлечения, систематизации и интеграции знаний из самых различных областей научных исследований. В частности, при работе над диссертацией автор опирался на результаты фундаментальных и прикладных исследований в области: комплексного освоения недр (М.И. Агошков, К.Н. Трубецкой, Н.Н. Мельников, В.В. Ржевский, Е.И. Шемякин, Д.Р. Каплунов, Н.Н. Чаплыгин, Б.А. Картозия, М.А. Иофис, Е.В. Петренко, А.С. Малкин, У. Кельми, З. Бенявский, С. Фриш и др.), исследований сложных природно-технических систем (В.К. Епишин, В.А. Королев, А.В. Корчак, Е.Ю. Куликова, А.Л. Ревзон, Г.К. Боднарик, Л.А. Ярг, М.С. Голицын, В.Н. Островский и др.), моделирования сложных систем, системного и структурного анализа, концептуального проектирования (В.Н. Бусленко, Р. Акофф, М. Месарович, М.А. Садовский, Я. Дитрих, Н.Г. Лихогруд, В.В Штабенко, А.И. Половинкин, В.В. Попов, В.А. Горбатов, и др.), проектирования и строительства подземных сооружений (Н.М. Покровский, В.Л. Попов, В.М. Мостков, В.П. Волков, С.Н.Наумов, Д.М. Голицинский, В.Г. Храпов, Б.И. Федунец, Л.В. Маковский, М.Н. Шуплик, В.Е. Меркин, И.Я. Дорман, В.А. Гарбер, В.И. Смирнов, А.Н. Панкратенко и др.), исследований напряженно-деформированного состояния породных массивов, вмещающих подземные сооружения, и расчетов крепи (К.А. Ардашев, Б.З. Амусин, И.В. Баклашов, Н.С. Булычев, 3. Бенявский, В.В. Виноградов, В.Т. Глушко, М.Н. Гелескул, Д. Дир, Л.А. Джапаридзе, Ю.З. Заславский, Б.А. Картозия, В.Н. Каретников, Э.В. Казакевич, Ю.М. Либерман, Г.Г. Литвинский, Р. Мюллер, А.Г. Протосеня, Г.С. Франкевич, Н.Н. Фотиева, И.Л. Черняк и др.)

В ходе подготовки работы автор обсуждал промежуточные результаты и перспективы исследований с рядом ведущих специалистов в области методологии освоения подземного пространства крупных городов, управления состоянием массива, математических методов моделирования в горном деле, физико-технического геоконтроля. Такие контакты способствовали формированию взглядов автора в выбранной области исследований, за что автор искренне благодарен научному консультанту А.В. Корчаку, Б.А. Картозия, И.В. Баклашову, В.Л. Шкуратнику, Б.И. Федунцу, С.А. Мельниковой, О.Н. Павлову и многим другим. Автор благодарен коллективу кафедры и лаборатории "Строительства подземных сооружений и шахт" МГГУ, а также работникам ГУП «Мосинжпроект», ООО «Институт «Каналстройпроект», НПО «Космос», ОАО «СУПР», помогавшим в работе на различных этапах исследований.

Основное содержание работы

Об актуальности проблемы освоения подземного пространства крупных городов свидетельствует широкое обсуждение ее в книгах и статьях видных ученых, на заседаниях РАН, на конференциях в России, на международных конгрессах, конференциях и симпозиумах. Вопросы освоения подземного пространства мегаполисов освещаются в работах ведущих ученых и специалистов в области горных наук, подземного строительства и геомеханики: Е.И. Шемякина, Н.Н. Мельникова, В.И. Осипова, А.Д. Рубана, Н.С. Булычева, В.И. Бородина, М.А. Иофиса, А.Г. Беляева, С.Н. Власова, В.А. Гарбера, Д.М. Голицынского, Г.Е. Голубева, Ю.Д. Дядькина, М.Г. Зерцалова, А.Ф. Зильберборда, В.А. Ильичева, Б.А. Картозия, И.В. Баклашова, А.В. Корчака, М.В. Корнилкова, К.Ю. Королевского, Д.С. Конюхова, А.Р. Калинина, М.М. Любимова, В.Г. Лернера, Л.В. Маковского, В.Е. Меркина, А.С. Миллермана, Е.В. Петренко, А.Г. Протосени, Б.Д. Половова, М.М. Папернова, В.В Поддубного, В.И. Ресина, М.С. Рудяка, А.А. Сегетдинова, В.П. Самойлова, В.А. Умнова, Б.И. Федунца, А.В. Харченко, В.З. Черняка, П.Ф. Швецова, В. Дитца, К. Беккера, Р. Стерлинга, Д. Кармоди, Д. Лемли, Р. Майера, Д. Пирса и др.

Освоение подземного пространства, помимо повышения эффективности использования недр за счет создания в пригодных для этого участках массива горных пород подземных объектов, а также возможности их использования в новом функциональном качестве и сохранения экологической чистоты, позволяет:

исключить негативное влияние на эксплуатацию подземного объекта погодных и климатических условий;

обеспечить безопасность при всех видах внешних воздействий (стихийных, техногенных и диверсионных);

сохранить городские ландшафты, представляющие культурно-историческую ценность;

уменьшить отрицательное воздействие потенциально опасных производств;

уменьшить затраты энергии на отопление и охлаждение помещений;

повысить степень безопасности движения транспорта и пешеходов;

повысить уровень комфортности и безопасности жизнедеятельности человека.

Важная особенность подземного пространства города - его скрытость. Это качество может быть использовано в целях национальной безопасности, а также преодоления недостатков и эстетической непривлекательности отдельных видов технологического промышленного оборудования.

В первой главе диссертации обосновывается необходимость планомерного, рационального и комплексного освоения подземного пространства на основе анализа закономерностей формирования подземной инфраструктуры городов с использованием современного информационного обеспечения для принимаемых технических и технологических решений, основанных на внедрении инновационных технологий.

Особенность предлагаемого подхода состоит в принципиально ином понимании проблемы освоения подземного пространства города, которое рассматривается не как разовое (по существу, бессистемное) строительство отдельных, пусть даже уникальных подземных сооружений, а как комплексная застройка пригодных для этого участков массива как в сложившейся части города, так и в развивающихся его районах, в функциональной и архитектурно-композиционной взаимосвязи с поверхностной планировкой и застройкой.

Комплексное использование подземного пространства необходимо для городов всех категорий, разница заключается лишь в номенклатуре и количестве сооружений, которые целесообразно размещать ниже земной поверхности с точки зрения капитальных вложений, экологического и социально-экономического эффекта.

В работе систематизированы основные факторы, влияющие на размещение создаваемых в подземном пространстве объектов, а именно: параметры города (площадь, протяженность, высотность и др.); зонирование его инфраструктуры; рельеф местности, природные, геологические и гидрогеологические условия; функциональное назначение различных зон (селитьба, промышленные и другие внеселитебные зоны); характер застройки.

Стратегия освоения подземного пространства (ОПП) - это научно обоснованное планирование его развития на перспективу, основанное на принятии решений о выборе приоритетных направлений в освоении подземного пространства, обеспечивающих в совокупности достижение максимального эффекта. К числу таких решений относятся: определение номенклатуры приоритетных подземных объектов; выбор места и времени (очередности) строительства объектов, способов подготовки массива и технологии собственно строительства.

В работе определены следующие приоритетные направления развития подземных систем по их функциональному назначению:

системы жизнеобеспечения города (инженерные коммуникации различного назначения и их инфраструктура);

системы передвижения населения и грузов (транспорт и его инфраструктура);

системы организации торговли и их инфраструктура (торговые центры, склады, хранилища).

При выборе стратегии ОПП необходимо учитывать степень его насыщения (урбанизации) функционирующими или законсервированными подземными сооружениями, которая регламентирует возможность дополнительного размещения новых объектов в заданном участке.

В зависимости от степени урбанизации подземного пространства следует различать два вида его освоения: «точечное», когда новый объект приходится размещать рядом с существующими в условиях плотной городской застройки, и комплексное, когда можно спланировать размещение всех предполагаемых к строительству в данном участке объектов как подземных, так и наземных.

В работе выделены два аспекта целесообразности ОПП: социально-функциональный и градостроительный.

Для социально-функционального аспекта главными являются два показателя: первый - это социальные удобства, при которых повышается интенсивность использования подземного пространства, второй - функциональное удобство проживания, выраженное в экономии непроизводительных затрат времени, сил и средств населения.

Градостроительный аспект должен включать в себя требования к экономии городской территории и сохранности сложившегося характера застройки.

Место и роль подземной инфраструктуры определяются той спецификой, которая присуща объектам, размещаемым в подземном пространстве:

необходимость строительства подземных сооружений рассматривается только в том случае, когда потребность в объектах данного назначения значительно превышает возможность обустройства их в наземном варианте;

при строительстве и эксплуатации подземного сооружения следует обеспечить его органичное взаимодействие со всеми объектами наземной инфраструктуры при сохранении архитектурного облика города;

подземные объекты необходимо размещать в максимальном приближении к месту, где в них испытывается потребность;

учитывать специфическую особенность среды строительства в мегаполисе, которая является уже не природной, а природно-техногенной.

Стратегическими направлениями в решении задач по улучшению уровня комфортности жизни людей, экологии, созданию новой среды обитания следует считать: обеспечение города инженерными коммуникациями; улучшение транспортного обслуживания; вывод промышленных предприятий и коммунально-складских объектов из центра города; строительство культурно-оздоровительных центров и зон отдыха в округах.

Уровень комфортности жизни в условиях мегаполиса целиком зависит от работы коммунальных систем, важным звеном которых являются подземные инженерные коммуникации, различающиеся по функциональному назначению: использующие водные ресурсы (водоснабжение и канализация); энергетические ресурсы (электроснабжение, теплоснабжение, газоснабжение, сети слабого тока - телефонные, интернет, радиовещания и др.); транспортные.

В работе рассматриваются проблемы, связанные с проектированием, строительством и эксплуатацией кабельных и канализационных коллекторов.

Поскольку основной причиной выхода из строя коллектора является разрушение его обделки, актуальным является модернизация существующих и создание новых типов обделки.

Вторая глава диссертации посвящена разработке структурной модели и обоснованию принципов устойчивого функционирования сложных природно-технических геосистем, к которым относятся все подземные сооружения, основанных на динамической взаимосвязи всех элементов, обеспечивающих проектирование и строительство подземных сооружений в соответствии с функциональным назначением, техническими, экономическими и др. требованиями и позволяющих прогнозировать условия развития на период всего жизненного цикла подземного сооружения.

На всех этапах функционирования городских подземных сооружений возникает сложная взаимосвязь между строительными, технологическими, эксплуатационными и экологическими факторами, предопределяющими возможность возникновения и характер рисковой ситуации. В этой связи в работе определены группы взаимовлияющих компонентов, в которые включены природные, технологические, технические, экономические, организационные факторы, обусловливающие нормальное функционирование подземного сооружения на всех этапах его жизненного цикла.

Строительная геотехнология - базовая наука для практического решения проблемы освоения подземного пространства мегаполисов, которая исследует комбинации объективных законов природы применительно к искусственно создаваемым природно-техническим системам «подземное сооружение - окружающая среда».

В диссертационной работе под природно-технической геосистемой (ПТГС) понимается совокупность взаимодействующих природных и техногенных подсистем (рис.1).

Техногенная подсистема включает собственно подземное сооружение ПС (блок В), технологию его возведения и эксплуатации Т (блок Б). Природная подсистема включает окружающий подземное сооружение породный массив ПМ (блок А) и окружающую среду ОС (блок Г), которая отражает тектонико-геологические, орографические, гидрогеологические и биологические особенности взаимодействия. В компонент «окружающая среда» входит геологическая среда (ГС) и среда обитания человека (СО) выше земной поверхности, под которой расположено подземное сооружение. Эта среда также оказывает существенное влияние на строительство и эксплуатацию подземного объекта (нагрузки от зданий и сооружений, расположенных на поверхности, климатические условия, динамические нагрузки от транспорта и т.д.). Все блоки системы взаимосвязаны и постоянно взаимодействуют между собой.

Эта система относится к разряду динамических как вследствие постоянного изменения свойств и состояния ее элементов, так и из-за характера взаимодействия между ними.

В данной системе под окружающим подземное сооружение породным массивом следует понимать ту часть горных пород, которая непосредственно взаимодействует с ним и оказывает влияние на выбор технологии строительства и устойчивость подземного сооружения.

Блок В (ПС) включает характеристики, описывающие функциональное назначение подземного сооружения в решаемой задаче и формирует требования к характеристикам вмещающего породного массива.

Блок Б (Т) описывает варианты технологических решений, которые могут быть использованы для удовлетворения требований блоков А и В.

В период строительства и эксплуатации на взаимодействие подземного сооружения и породного массива существенное влияние оказывает технология строительства. Причем технология во многом определяет характер взаимодействия подземного сооружения и окружающего его породного массива на период всего жизненного цикла подземного сооружения.

Анализируя функционирование системы и характеризуя блок Б, нужно иметь в виду, что на различных этапах жизненного цикла подземного сооружения блок Б несет различную смысловую и функциональную нагрузку. На этапах проектирования и строительства подземного сооружения блок Б - это технология строительства, по завершении этих этапов блок Б - технология эксплуатации подземного сооружения.

Подобное разделение блока Б обусловлено различным характером функционирования подземного сооружения и проявлением экологического эффекта на разных этапах жизненного цикла подземного объекта. Проявления природных и техногенных факторов в строящихся и эксплуатируемых подземных сооружениях во многом аналогичны, но обладают и особенностями, характерными для различных видов производства работ. На этапе строительства взаимное влияние природно-техногенных факторов носит характер внезапности и неожиданности, на этапе эксплуатации - это следствие длительных процессов разрушения и деформирования конструкций (за исключением таких видов проявлений, как пожары и взрывы).

Негативный экологический эффект на этапе эксплуатации подземного сооружения может проявиться только в том случае, если характер взаимодействия природных и техногенных факторов, возникающих при строительстве подземного сооружения, был оценен неверно или ряд факторов не был полностью учтен на этапе изысканий и проектирования.

Окружающая среда (блок Г) непосредственным образом влияет на формируемую систему А-Б-В в целом и на каждый из ее компонентов в отдельности. При этом основным элементом окружающей среды, испытывающим динамические изменения от функционирования системы «массив-технология-подземное сооружение-окружающая среда», является массив горных пород, вмещающий подземное сооружение. Через породный массив это влияние передается и на другие компоненты природной экосистемы. Таким образом, окружающая среда также испытывает влияние со стороны формируемой системы.

Кроме этого, блок Г рассматривает устойчивость функционирования системы с экологических позиций с учетом взаимодействия ПТГС и человека. Качественные и количественные характеристики фактического взаимодействия подземного сооружения с окружающей средой могут быть определены лишь на стадии эксплуатации подземного сооружения посредством различных методов контроля.

Следует учитывать, что породный массив, активно участвующий во взаимодействии с подземным сооружением, в реальных условиях не имеет «закрытых» границ и является структурной частью иерархии более сложной и крупномасштабной «внешней» части массива. Причем в условиях интенсивного освоения подземного пространства свойства и состояние этой (внешней) части геосреды постоянно изменяются. Это в свою очередь является еще одним фактором, влияющим на неоднородность, недетерминированность и нелинейность реакции среды даже на локальное внедрение в подземное пространство.

При современных масштабах освоения подземного пространства любой создаваемый на этом пространстве подземный объект не может рассматриваться изолированно от других подобных объектов. Их взаимное влияние может многократно усиливать аномалии в поведении вмещающей геологической среды и ее взаимодействии с объектами подземного строительства, что в свою очередь порождает проблемы охраны этой среды с тем, чтобы она могла выполнять свою специфическую экологическую роль. Таким образом, можно утверждать, что используемая в течение длительного времени в практике инженерно-геологических изысканий городских территорий модель геосреды, предполагающая однородность, непрерывность, линейность и неизменность ее свойств во времени, себя исчерпала. Так же, как исчерпали себя подходы, при которых геосреда считается пассивной, протекающие в ней геофизические процессы линейны, геофизические поля природного и техногенного происхождения не взаимодействуют между собой. Все более очевидным становится, что геосреда в верхней части геологического разреза, где и осуществляется подземное строительство, иерархически неоднородна, нелинейна по физическим свойствам и характеру протекающих в ней процессов, изменчива во времени и в пространстве, активна и пронизана геофизическими полями различной природы, которые взаимодействуют между собой. При этом не следует забывать и специфические условия верхней части геологического разреза, для которого характерны значительная вертикальная и горизонтальная изменчивость свойств пород и их анизотропия.

Принципиальная особенность инженерно-геологических условий освоения подземного пространства мегаполисов заключается в том, что значительная часть этого пространства представляет собой толщу техногенных грунтов мощностью до нескольких десятков метров. Этот слой имеет чрезвычайно сложный состав и структуру. Кроме того, в силу значительной пространственно-временной изменчивости структуры, свойств и состояния техногенных отложений их изучение и прогнозирование поведения традиционными инженерно-геологическими методами малоэффективно.

Одним из важнейших факторов, влияющих на состояние геологической среды в зонах подземного строительства, является постоянное воздействие сейсмических и вибрационных полей с относительно небольшой амплитудой, но при этом широкого частотного диапазона. Указанные поля имеют как естественную, так и техногенную природу. Как следствие, в этих зонах усиливается деформирование грунтов, активизируются процессы их оседания и потери устойчивости. Особую опасность и во многом непредсказуемость поведения геологической среды, где ведется подземное строительство, приходится ожидать в тех случаях, когда воздействия на нее сочетают динамическую (вибрационную) и статическую (связанную с высоким напряженным состоянием) составляющие.

Отмеченные выше особенности геологической среды в зонах интенсивного подземного строительства можно свести к трем главным сущностям: сложности, активности и нелинейности. Причем нелинейность с полным основанием может быть отнесена и к природно-техническим геосистемам (ПТГС) в целом.

Интенсивно осваиваемое подземное пространство городов может рассматриваться как совокупность различных по масштабам и назначению сложных природно-технических геосистем, взаимодействующих друг с другом через внешнюю среду. Причем уровень этого взаимодействия постоянно возрастает, поскольку с ростом числа и объемов геосистем та часть внешней среды, которая разделяет отдельные геосистемы и призвана играть роль своеобразных экологических экранов, постоянно уменьшается. Как следствие, при оценке и прогнозе рисков возникновения нештатных ситуаций, аварий и катастроф в любой из геосистем должны учитываться соответствующие риски и в других геосистемах.

Таким образом, с позиций безопасности или рисков освоения подземного пространства мегаполисов в работе это пространство рассматривается как единая сложная природно-техническая геосистема. Отдельные подсистемы такой ПТГС не связаны между собой жесткими функциональными связями и единой целевой функцией (как у традиционных сложных систем), но все же функционируют не изолированно друг от друга, а во взаимодействии между собой, пусть и не через специально организованные, а паразитные связи.

С учетом изложенного в работе ставится вопрос о номенклатуре, количестве и очередности строительства подземных объектов, о технически, технологически, экономически и экологически обоснованных пределах освоения подземного пространства мегаполиса в различных его районах.

Анализ опыта строительства подземных сооружений показал, что несмотря на их многообразие, для всех характерно наличие следующих регламентирующих признаков: функциональное назначение; глубина заложения; объемно-планировочные решения; условия строительства; параметры обделки; срок службы; ремонтопригодность и увязка с наземной и подземной инфраструктурой.

Уникальность каждого подземного сооружения определяется индивидуальным содержанием совокупности признаков, характеризующих каждое из них.

Надежную работу подземного сооружения гарантирует принятие оптимальных инженерно-технических решений, найденных для каждого основного признака с учетом взаимосвязей как между ними, так и с породным массивом.

Породный массив как сложная природная среда предоставляет многокомпонентную систему и рассматривается как система взаимосвязей фазовых состояний, причем эти взаимосвязи отражают многообразие причинно-следственных факторов природных, техногенных и антропогенных воздействий.

Основой построения таких взаимосвязей являются выявленные возмущения в природной среде, которые являются реакциями массива на технологические воздействия в реальном масштабе времени. В процессе проектирования учет этих взаимодействий реализуется путем включения в проектируемые технологии специальных мероприятий, направленных на снижение этого воздействия и обеспечивающих безопасность строительства и эксплуатации подземного сооружения.

По характеру проявления сложности и характеристике породного массива определяется тип сложных условий. В работе дана характеристика трех типов сложных горно-геологических условий, характерных для подземного строительства в Москве (сложные гидрогеологические условия, сложные геомеханические условия, сложные геоурбанизированные условия). Обосновано, что для выбора оптимального варианта условий строительства необходимо иметь данные районирования территории Москвы по степени пригодности для подземного строительства по всем рассмотренным типам сложных условий.

Определение типа сложных условий позволяет отобрать конкурентоспособные способы воздействия на массив и технологии строительства подземных сооружений, обеспечивающие экономические и технические преимущества, а также безопасность и комфортность условий труда.

В работе проанализированы все существующие методы и способы подготовки массива для создания условий ведения горнопроходческих работ при строительстве подземного сооружения и проведена классификация критериев оценки эффективности функционирования ПТГС в сложных гидрогеологических условиях.

Основная сложность заключается в том, что непрерывно в породном массиве протекают процессы с изменениями от техногенного и антропогенного воздействия и на всех этапах проектирования необходимо уточнять исходные данные. При этом возникает проблема с множественностью задач выбора, а также с тем, что каждая ситуация выбора может реализовываться в качественно различных вариантах, а именно:

множество альтернатив в информационном поле выбора может быть очень большим;

выбор оптимального варианта может осуществляться по одному или нескольким критериям, которые в свою очередь могут иметь как качественный, так и количественный характер;

механизм выбора может быть однократным или повторяющимся;

последствия выбора могут быть точно известны (выбор в условиях определенности), иметь вероятностный характер (выбор в условиях риска) или иметь неоднозначный исход, не допускающий введения вероятностей (выбор в условиях неопределенности).

Различные сочетания перечисленных вариантов приводят к многообразным задачам выбора, которые решаются при принятии управляющего решения в геосистеме.

В работе рассматривается методология принятия решения, когда каждую отдельно взятую альтернативу можно оценить определенным числом и сравнение альтернатив сводится к сравнению соответствующих им чисел.

Третья глава диссертации посвящена разработке геолого-технологического районирования и зонирования территории Москвы с прогнозированием пригодности участков для строительства подземных сооружений различного назначения.

Освоение подземного пространства городов тесно связано с необходимостью проведения детальных инженерно-геологических изысканий, поскольку информация о геологическом строении определяет выбор участка строительства и технологию ведения подземных работ. Поэтому целью исследований, изложенных в третьей главе, является районирование территории Москвы с учетом урбанизации ландшафта и геоморфологии по степени благоприятности условий строительства как по площади, так и на различных уровнях подземного пространства.

Для решения этой задачи были проанализированы данные о геологическом строении массива горных пород на территории г. Москвы и выделены районы со сложными гидрогеологическими условиями, обоснован выбор критериев и типизированы условия благоприятности строительства, проведено районирование каждого типа условий благоприятности строительства на различных глубинах.

При изучении участков земной коры были выделены структурные этажи.

Основой для их выделения явились: условия залегания пород; состав пород; степень их литификации; наличие разрывной тектоники и проявления магматизма. Характеристики этажей определялись стадией геологического развития участка земли.

Общим для каждой тектонической единицы являлось наличие покрывающего верхнего слоя структурного этажа, состоящего из нелитифицированных осадочных пород, и нижнего подстилающего структурного этажа, представленного магматическими и метаморфическими породами.

В работе приводится характеристика первого и второго структурных этажей, в уровнях которых и будет осуществляться освоение подземного пространства города Москвы.

Учитывались геологические факторы, которые предопределяют выбор технологии строительства подземных сооружений:

мощность рыхлых техногенных отложений, песчаных и глинистых пород;

степень обводненности рыхлых отложений (первый структурный этаж);

отметки залегания пластов глинистых пород (водоупоров) и зеркала грунтовых вод;

содержание раздельно-зернистых пород в толще рыхлых отложений;

содержание карбонатных пород во втором структурном этаже твердых и полутвердых пород;

наличие во втором структурном этаже песков и песков-плывунов;

- петрографический и минеральный состав второго структурного этажа; мощность пластов литотипов, входящих в его состав.

В работе установлено, что при проектировании подземных сооружений в толще первого структурного этажа следует учитывать тот факт, что строительство будет осуществляться в самых разных породах (техногенных отложениях, песках, супесях, песчаниках, суглинках, глинах). Полученные значения градиентов залегания глинистых пород позволили спрогнозировать протяженность участков, на которых возможно полное изменение литологии пород в забое выработки, и принять необходимые технологические решения.

Второй структурный этаж на территории Москвы состоит из полутвердых и твердых пород - известняков, песчаников, аргиллитов, алевролитов, плотных глин, сланцев и т.п. По тектоническим условиям и составу пород в этом структурном этаже могут быть выделены массивы платформенного, геосинклинального, промежуточного и горно-складчатого типов.

Установлено, что практически вся мощность второго структурного этажа находится в условиях обводненности.

Разработанные принципы геолого-технологического районирования и зонирования территории Москвы включают:

...