Освоение подземного пространства

Содержание: 
1. Введение………………………………………………………………………...2 
2. Основная часть ………………………..………………………………..............4 
2.1. История подземного строительства…………………………………............4 
2.2. Подземное строительство…...……………………………………………….7 
2.3. Экологическая безопасность при освоении подземного пространства…..8 
2.4. Аварии при освоении подземного пространства…..……………………...13 
3.Заключение……………………………………………………………………..18 

1. Введение.

В последние годы во всём мире всё большее внимание при планировке и застройке крупных городов и городов-мегаполисов уделяется проблемам освоения подземного пространства, а  также строительству подземных объектов за пределами городской черты, обеспечивающих нормальное функционирование  крупных населённых, в особенности промышленных, центров. Такие проблемы, как дефицит городских территорий, постоянный рост населения городов, скопление на дорогах больших масс  транспортных средств, неспособность городской инфраструктуры справиться с постоянно возрастающими нагрузками и  ухудшение экологической обстановки требуют всё более активного  использования подземного пространства, в том числе для  размещения транспортных и инженерных систем, объектов торговли и бытового обслуживания, складов и автостоянок и т.п. Согласно современным исследованиям, в большинстве случаев подземные сооружения, несмотря на значительные затраты при их  возведении, являются наиболее оптимальными решениями многих  вопросов функционирования города.

Подземное пространство города — это пространство под дневной поверхностью земли, используемое как «одно из средств преодоления тенденции расширения города, предмет разработок новых концепций создания и сохранения естественной среды обитания, достижения приоритетов эколого-экономического благополучия и устойчивого развития, создания условий  жизнедеятельности людей в экстремальных условиях» [РАСЭ, 1996]. Подземное пространство города включает: подземные  транспортные сооружения, размещение промышленных предприятий и предприятий обслуживания населения, подземные городские сети и сооружения инженерного оборудования, сооружения  специального назначения. Комплексное освоение подземного пространства (рис. 1) характерно для крупных городов и городов- мегаполисов, в основном, в зонах общегородского центра и  центрах муниципальных районов, в зонах наиболее важных  транспортных узлов и пересечений, на территориях промышленного и коммунально-складского назначения. Одним из аспектов  комплексного освоения подземного пространства является  рациональное использование наземной территории, в частности:

строительство зданий и сооружений в условиях стеснённой городской застройки;

сохранение территории зелёных зон и мест отдыха,  устройство в сложившейся застройке озеленённых и благоустроенных участков;

повышение художественно-эстетических качеств городской среды, сохранение исторически ценной территории;

сохранение и восстановление уникальных объектов  ландшафтной архитектуры;

доступность наиболее важных объектов городского значения и мест трудовой деятельности горожан, экономия времени;

улучшение транспортного обслуживания, повышение  безопасности движения, снижение уличных шумов;

сокращение длины инженерных коммуникаций;

защита населения в периоды возможных природных и  техногенных аварий и катастроф.

2. Основная часть.
1. История подземного строительства.

Освоение человеком подземного пространства началось в глубокой древности. Прототипом подземных сооружений можно считать естественные пещеры и пустоты в скальных породах,  используемые нашими предками. Пещера стала первым жилищем человека, защищавшим его от непогоды и хищников. Примерно в то же время человек начал подземным способом разрабатывать горные породы для получения различных полезных ископаемых. В.М. Слукиным [Слукин, 1991] предлагается периодизация подземных сооружений по эпохам:

1) поздний палеолит и  неолит (до 4 тысячелетия до н.э.);

2) древний мир (4 тысячелетие  до н.э. — IV вв. н.э.);

3) средневековье (V—XI вв.);

4) новое время (после XII вв.).

Российским обществом спелеостологических исследований разработан «Кадастр искусственных пещер и подземных  архитектурных сооружений на территории Евразийского и  Африканского континентов»*. В зависимости от культурно-цивилизационных факторов, исторических предпосылок, основного рода  занятий населения и проч. в «Кадастре» выделяются восемь спелеостологических стран Старого Света.

1. Восточнославянская. Целиком  располагается на  территории  СНГ и занимает достаточно  однородную, с точки зрения культуры  освоения подземного пространства, территорию:  большую часть России, Белоруссии, Украины, север Казахстана. На этой территории с древности  сооружались подземные объекты  культурного и бытового назначения, культовые сооружения,  убежища, фортификационные подземные ходы, рудники и  каменоломни.

2. Западноевропейская. Занимает  территорию Европы, стран Балтии, Северо-Западной Белоруссии, Закарпатья. Эта  территория характеризуется  широким и прагматичным использованием подземного пространства* уже многие тысячелетия здесь  применяются подземные выработки, оборонительные сооружения,  убежища, хозяйственные сооружения, некрополи.

3. Переднеазиатская. Включает  Бессарабию, Горный Крым и Кавказ. Для этой территории с глубокой  древности характерно комплексное  использование больших групп  подземных объектов различного  назначения: жилых, хозяйственных,  оборонительных, транспортных, культовых  — входящих в пещерные города  и подземные монастыри. На этой  территории находятся широко  известные в мире подземные  города-монастыри (Каппадокия, Турция); большие подземные комплексы  оборонительного и  хозяйственного  назначения.

4. Среднеазиатская. Располагается  на территории  среднеазиатских  государств СНГ, восточного Азербайджана, Ирана и  Северного Афганистана. Освоение подземного пространства  здесь началось со строительства  в предгорьях водоподводящих  систем — кяриязов, суммарной  протяженностью в десятки тысяч  километров. В горных районах  с 15 тысячелетия до н.э.  развивалось  горнорудное дело. Кроме этого  в этом районе находят  подземные  ходы оборонительного назначения, а также  мусульманские и буддийские  культовые пещеры.

5. Южноазиатская. Занимает  полуостров Индостан и  прилегающие  районы. Характеризуется развитием  горного дела,  наличием подземных  цистерн, группами крупных подземных  храмов с высеченными в скале  архитектурными элементами —  колоннами, скульптурами и проч.

6. Восточноазиатская. В основном, находится на территории Китая. Уникальные достижения древней  и средневековой науки Китая  способствовали созданию оригинальных  и разнообразных подземных сооружений: пещерных храмов, некрополей,  водоводов, транспортных коммуникаций. Особенно  интенсивным  развитием характеризовалось  жилищное строительство — и в наше время в пещерных поселениях Китая проживают десятки  миллионов человек

7. Североафриканская. Находится  на территории Древнего Египта  и стран Северной Африки. В  основном характеризуется подземными  сооружениями культового назначения: гробницами и храмами, а также  подземной добычей полезных ископаемых. В Ливии и Алжире сохранились  сетчатые водособирающие  подземные  системы, напоминающие кяриязы; в  Эфиопии —  оригинальные подземные  храмы. В странах Северной Африки  для защиты от жары жители  периодически сооружали подземные  жилища.

8. Экваториальноафриканская. На территории Чёрной  Африки  к югу от Сахары к настоящему  времени не обнаружено  никаких  признаков подземного строительства. В Восточной Африке, видимо, вследствие  культурного взаимообмена с Индией,  Египтом и арабскими странами, подземным способом  разрабатывались  полезные ископаемые. Первое свидетельство  постройки тоннеля, зафиксированное  в исторических документах, относится  к 2 150 году до нашей эры. Это  был подводный пешеходный тоннель  протяжённостью 900 м и размерами  в свету 4 х 3,6 м под рекой Евфрат  в Вавилоне,  соединявший царский  дворец с храмом Юпитера. На  время строительства русло реки  шириной 180 м было отведено в  сторону и все работы произведены  насухо в открытом котловане. Стены и свод тоннеля состояли  из кирпичной кладки на битумном  вяжущем.

2. Подземное строительство.                                                                                                                                                        

С активным внедрением в практику новейших технологий, а также современных эффективных машин и механизмов, тоннельное строительство в мегаполисах стало сопоставимым по финансовым затратам с возведением эстакад, а в целом подземное строительство (в пересчете на 1,0 м2 эффективной площади) обходится не намного дороже, чем возведение традиционных зданий и сооружений. Но здесь есть еще один весьма примечательный момент - эксплуатационные затраты (текущее содержание подземных сооружений) значительно ниже, чем стоимость текущей эксплуатации надземных сооружений.

Проанализировав общемировой рынок в целом, специалисты пришли к выводу: развитие подземной инфраструктуры стало мировой общепризнанной тенденцией, которая способствует комплексному решению острейших территориальных, экологических и транспортных проблем современных мегаполисов.

Что касается вопроса затратности строительства подземных сооружений, отметим следующее: практика показывает, что в итоге их конечная стоимость оказывается не выше надземных. А если применить современные передовые (к примеру - западноевропейские) методики расчета, которые учитывают стоимость земли, энергоэффективность, эксплуатационные расходы, - в большинстве случаев подземные сооружения оказываются более экономичными! Например, опыт подземного строительства в Норвегии, Швеции и Финляндии (то есть в странах с близкими к нашим климатическими условиями и, соответственно, высокими энергозатратами на отопление) однозначно показывает существенную экономичность подземных сооружений и выигрышность этих проектных решений на стадии эксплуатации по сравнению с надземными. Более того, в ОАЭ (Объединенных Арабских Эмиратах), стране, покоряющей архитектурно-технологические высоты (в прямом и переносном смысле), специалисты выполнили соответствующие расчеты и пришли к однозначному выводу о необходимости развития подземного строительства. Дело в том, что затраты на кондиционирование высоток - чрезмерны, а экономия энергии при строительстве "вниз" составит до 60-70%.

3. Экологическая безопасность при освоение подземного пространства.

Комплексное освоение подземного пространства в условиях плотной городской застройки выдвигает целый ряд требований, которые необходимо учитывать при планировании и строительстве сооружений, так как строящиеся и эксплуатируемые подземные сооружения являются зонами повышенного риска, и в случае возникновения аварии, представляют серьезную опасность для находящихся в них людей, не исключение и экологические риски, которые влияют не только на людей, но и на природу в целом.

Количественное измерение уровня экологической безопасности при освоении подземного пространства мегаполиса также играет важную роль в управлении рисками в природной и техногенной сфере.

Под экологическим риском понимают вероятность возникновения нежелательных изменений в окружающей природной среде, или отдалённых неблагоприятных последствий этих изменений, возникающих вследствие отрицательного воздействия на окружающую среду.

Количественное измерение уровня экологической безопасности при освоении подземного пространства возможно на основе идентификации и анализа экологического риска. Это связано с необходимостью учета неопределенности и непредсказуемости многих процессов и явлений при подземном строительстве. Объекты подземного хозяйства оказывают существенное влияние на поверхность, атмосферу и почву мегаполиса.

Негативный экологический эффект подземного строительства связан с попаданием участка работ в зону старых коммуникаций.

Таким образом, необходима идентификация экологического риска при освоении подземного пространства мегаполиса.

В современных исследованиях экологический риск по источникам возникновения может быть представлен суммой природного, промышленного и социального рисков.

Риск в зависимости от целей анализа оценивается соответствующими показателями (качественными и количественными), например, ожидаемыми уровнями негативных последствий аварий за определенный промежуток времени (ожидаемым ущербом, вероятностью возникновения аварий с определенными последствиями). Количественная оценка риска характеризуется величиной вероятности возникновения рискового случая и возможным размером ущерба в зоне подземного строительства за определенный период времени при определенных обстоятельствах.

Интегральным критерием экологического риска служит вероятность нарушения природного баланса, связанная с необратимыми потерями (или необратимыми деградационными процессами) и обусловленная техногенными факторами подземного строительства.

Сам процесс управления подземным строительством в условиях возникновения рисковых ситуаций должен включать в себя анализ риска; обеспечение защиты от риска; компенсацию возможного риска.

Анализ риска предназначен для выявления источников опасностей и оценки последствий их воздействий на окружающую среду. Установление источников опасностей является ключевым моментом и заключается в определении рисковых случаев, свойственных данному сооружению, и их возможных причин. Оценка последствий воздействия опасностей предусматривает определение величины возможного ущерба для каждой категории рисковых случаев. Особое внимание при анализе риска должно быть направлено на выявление «слабых» мест с точки зрения опасности и на разработку обоснованных рекомендаций и мероприятий по обеспечению экологической безопасности.

Для анализа экологических рисков в подземном строительстве применимы следующие методы:

Статистический метод, основанный на обработке статистических данных об аварийных ситуациях при строительстве или эксплуатации подземных сооружений методами математической статистики. Метод экспертных оценок складывается из результатов согласованных мнений экспертов о характере возможных последствий воздействия объекта подземного строительства на окружающую среду, степени их тяжести, вероятности проявления. Метод анализа риска основан на использовании теории аварийного риска при определении уровня опасности подземных объектов. Метод аналогий используется в том случае, если другие методы оценки риска неприемлемы. При использовании аналогов применяются базы данных о риске аналогичных проектов, проектно-изыскательских и исследовательских работ. Полученные таким образом данные обрабатываются для выявления зависимостей в законченных проектах с целью учета потенциального риска при реализации нового проекта строительства подземного сооружения. Метод квалиметрического моделирования состоит в построении и исследовании математических моделей, описывающих качества рассматриваемого объекта. В процессе построения квалиметрических моделей определяется обобщенный показатель опасности объекта, формируемый на основе оценки конструктивных и других признаков (свойств) подземного сооружения, которые могут оказывать влияние на уровень опасности. Комбинированный метод представляет собой объединение нескольких методов или их отдельных элементов.

Решение проблемы снижения экологического риска в подземном строительстве должно осуществляться при исключительно комплексном подходе к этому вопросу, включающем: установление причин, порождающих риск, его последствия; оценку возможных потерь в сложившейся обстановке; правильное распределение затрат на предупреждение или устранение рисковых ситуаций между заинтересованными в реализации проектов сторонами; персонализацию ответственности должностных лиц; разработку методов и средств, повышающих эффективность и качество подземного строительства в крайне сложных условиях, обусловленных природной обстановкой и техногенным влиянием.

Экологическая опасность процессов подземного строительства может рассматриваться лишь при комплексном подходе к изучению закономерностей взаимовлияния подземных сооружений и окружающей среды и формирование факторов экологического риска. Поэтому необходимо своевременно проведение исследований состояния подземного пространства городов для предупреждения и предотвращения катастроф, фиксации угрожающих экологии объектов, обеспечения экологической безопасности подземного строительства уже на стадии проектирования, включая разработку экологических объемных карт многоярусных подземных пространств по районам города.

Работа по снижению рисков может быть очень продуктивной и полезной как в плане совершенствования надежности объектов мегаполиса и экономической эффективности работы городских систем, так и в плане ужесточения требований к безопасности.

В систему управления рисками при строительстве и эксплуатации подземных сооружений входит: информационно-организационное обеспечение процедуры анализа рисков; идентификация рисков (технического, геомеханического, аэрологического, экологического, геодинамического, организационного рисков); анализ и оценка рисков (вероятность реализации рисков, материальный ущерб); принятие решений; контроль за выполнением мероприятий (мониторинг рисков, реагирование на риски, оценка эффективности управления); объект управления; субъекты управления.

При идентификации рисков выявляются источники опасностей, приводящих к отказам городских систем, условия возникновения опасностей, элементы, технические устройства, технологические блоки или процессы, требующие наиболее детального анализа; осуществляются предварительные оценки последствий возможных техногенных аварий. Объекты подземного хозяйства оказывают существенное влияние на поверхности, приводящие к возможности возникновения нежелательных техногенных изменений природных объектов и факторов, неблагоприятных для экологических ресурсов.

Суть анализа рисков состоит в построении всех возможных сценариев возникновения и развития аварий и обусловленных ими чрезвычайных ситуаций, а также оценке частот и масштабов реализации каждого из построенных сценариев. Использование метода предполагает построение показателей с помощью математических моделей и статистических данных.

4. Аварии при освоении подземного пространства.

Авария - разрушение подземных выработок различного назначения, трубопроводов, технологических коммуникаций, зданий, сооружений и (или) технических устройств, применяемых на опасном производственном объекте, неконтролируемые взрыв и (или) выбросы опасных веществ, пожары, обрушения горной массы и другие нарушения жизненного цикла производственных процессов, вызвавшие приостановку эксплуатации опасного производственного объекта.

Наиболее вероятные опасные ситуации в тоннелях и других подземных сооружениях возникают при потере несущей способности (прочности, устойчивости) или чрезмерных деформациях крепи и окружающего грунтового массива, внезапном прорыве водогрунтовых масс, появлении в воздухе рабочей зоны опасных концентраций пылегазовых смесей, оказывающих отравляющее действие или провоцирующих возгорания, пожары, взрывы. Опыт подземного строительства в нашей стране и за рубежом свидетельствует, что свыше 40% случаев аварий составляют пожары, около 30% – прорывы водогрунтовых масс, 17% – обрушения грунта, около 12% являются следствием загазованности выработок.

Любые аварии приводят к увеличению сроков строительства, необходимости ремонта или реконструкции сооружения, что требует дополнительных затрат.

Обрушение грунта и крепи в тоннельных выработках и подземных сооружениях (далее – обрушения выработок) являются основной формой проявления давления грунтов, присущего горно-складчатым зонам, и могут проявляться в форме пучения (выдавливания), вывалов и обширных обрушений. Особой формой мгновенных обрушений являются выбросы грунта.

Пучение проявляется в глинистых грунтах на небольшой глубине от поверхности (в пределах 100 м), на большей глубине (до 400 м) – в более прочных аргиллитах, алевролитах и песчаниках. В этом случае пучение носит характер локального разрушения грунта и может приводить к деформации, иногда – к разрушению крепи.

Вывалы из свода и стен выработок резко замедляют темп проходки, часто приводят к травматизму. Вывалы могут проявиться при производстве взрывов как мгновенно, так и спустя какое-то время (иногда измеряемые месяцами) – в зависимости от вида и трещиноватости грунтов, мощности взрыва и др.

Прорывы воды при строительстве тоннелей, иногда с песком, обломочным материалом либо плывунов (далее – прорывы водогрунтовых масс) вызывают подтопление или затопление выработки, образование участков заиливания, выход из строя оборудования, травмы и гибель людей. При этом изменяется режим движения подземных вод, что может привести к обрушению грунта; вместе с водой в выработку могут проникать вредные отравляющие, пожароопасные и взрывоопасные газы.

Пожары в тоннелях характеризуются быстрым нарастанием параметров (среднеобъемной температуры до 1 500°С и теплового потока до 300 кВт/м2), высокой задымленностью, образованием токсических, горючих газов и паров взрывоопасной концентрации и могут принимать длительный характер (до нескольких суток). В результате сгорания кислорода в зоне пожара приток свежего воздуха вызывает опасность взрыва природных и техногенных газов.

В связи с трудностью проникновения к очагу и подачи достаточного количества огнетушащих веществ в условиях высокой температуры и давления, ограничения обзора и видимости в замкнутом пространстве, резкого снижения огнестойкости строительных конструкций пожары в тоннелях относят к наиболее опасным происшествиям. Почти каждый случай пожара приводит к отравлению выделяющимися ядовитыми газами и гибели людей, повреждению и разрушению обделки и временной крепи, к поломке оборудования.

Конструкции подземных сооружений подвергаются более длительному воздействию высоких температур, чем конструкции наземных сооружений. Их повреждения, особенно в случае обрушения, приводят к значительному материальному ущербу, вызывают особые сложности и удлиняют срок восстановления сооружения. В свою очередь разрушение крепи может вызвать обрушение грунта и прорыв в тоннель подземных вод. Это определяет повышенные требования к огнестойкости строительных конструкций тоннелей.

Проникновение вредных газов в тоннель может вызвать отравление людей, ухудшение видимости, химическое разложение материалов конструкций и оборудования. Повышение концентрации углекислого газа в тоннельной атмосфере опасно, так как он вытесняет кислород и делает состав воздуха непригодным для дыхания. Аварийные ситуации могут вызвать также газы, выделяемые двигателями внутреннего сгорания транспортных средств.

Федеральным законом «О промышленной безопасности опасных производственных объектов» работы в подземных условиях отнесены к промышленно опасным производствам (независимо от наличия на объекте опасных веществ и материалов). В соответствии с требованиями норм при строительстве подземных сооружений в сложных инженерногеологических условиях с применением специальных методов работ в составе ТЭО (проекта) должен быть разработан раздел «Промышленная безопасность»; при применении традиционных технологий допускается рассмотрение требований промышленной безопасности в разделе ПОС.

В составе раздела «Промышленная безопасность» отражают факторы, которые могут привести к осложнениям и авариям, решения по обеспечению безопасности людей и окружающей среды. При этом требуется: дать оценку инженерно-геологических условиям с указанием возможных геологических аномалий и мер по безаварийному ведению работ; установить соответствие границ ведения работ утвержденному проекту горного отвода; привести перечень опасных производственных объектов, расположенных вблизи объекта (предприятия, использующие опасные вещества, железнодорожные пути с перевозкой опасных грузов, бензозаправочные станции, склады огнеопасных, взрывчатых и отравляющих веществ и т. п.), оценить степень их влияния на строительный процесс и разработать меры по предупреждению возможных аварий; привести перечень сооружений и коммуникаций в зоне возможных деформаций земной поверхности и грунтового массива, технические решения по предупреждению их деформаций; оценить степень воздействия технологических процессов и проявлений при этом шума, вибрации, выбросов вредных веществ, изменений уровня грунтовых вод, влияния на экологию; привести решения по снижению этих воздействий до безопасного уровня; выполнить расчеты временной крепи обделок на прочность и устойчивость; оценить оборудование и технические устройства на соответствие требованиям норм безопасности. Рекомендуется отразить основные меры безопасности при возникновении возможных нештатных и аварийных ситуаций; меры пожарной безопасности в процессе производства строительно-монтажных работ, меры по предупреждению электротравматизма; технические решения по бесперебойному обеспечению электроэнергией, сжатым воздухом, связью на участках, где перерыв подачи может привести к аварийной ситуации; разработать схемы и режимы проветривания выработок; оценить возможные ситуации с внезапным выбросом газа и грунтов, горными ударами, вывалами, прорывами водогрунтовых масс и определить меры борьбы с подобными проявлениями; предусмотреть резервирование водоотливных средств, достаточную емкость зумпфов; оценить эффективность методов измерений деформаций зданий и сооружений в зоне влияния горнопроходческих работ.

3. Заключение.

Освоение подземного пространства мегаполисов требует комплексного подхода, здесь в расчет следует принимать все нюансы, даже мельчайшие. Будущие подземные объекты не должны становиться препятствиями для развития инженерной и транспортной инфраструктуры городов. Градостроительные планы подземного строительства требуют детальнейшей проработки. В идеале - каждый город должен разрабатывать собственный единый документ, согласованный со всеми городскими эксплуатационными службами. Только в этом случае интенсивное развитие городской подземной инфраструктуры позволит реализовать все свои преимущества, не создав очередные "узкие места", каковых в надземной отечественной строительной практике последних двух десятилетий получилось немало. И которые придется "расширять" с помощью того же подземного строительства.