Введение к работе
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;
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 явяются 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.
