Анализ факторов риска при строительстве городских подземных сооружений Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

© Е.Ю. Куликова, А.В. Корчак, А.Н. Левченко, 2004

УДК 622.014.3:502.76

Е.Ю. Куликова, A.B. Корчак, А.Н. Левченко

АНАЛИЗ ФАКТОРОВ РИСКА ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ ГОРОДСКИХ ПОДЗЕМНЫХ СООРУЖЕНИЙ

Одним из аспектов строительной геотехнологии, занимающейся исследованием закономерностей поведения подземных сооружений в массиве горных пород, технических, экономических и организационных взаимосвязей технологических процессов при их строительстве [1], является изучение поведения и свойств системы, которая функционирует в пределах жизненного цикла подземного сооружения и называется «природно-

технической геосистемой» (ПТГС).

Под природно-технической геосистемой понимается совокупность взаимодействующих природных и техногенных подсистем.

Понятие «проектирование ПТГС» гораздо шире по объему, чем понятие «проектирование подземного сооружения», так как помимо собственно подземного объекта (тоннель, подземный гараж и др.) ПТГС включает и часть породного массива в границах взаимодействия с подземным объектом.

Новый уровень проектирования основывается на том, что любое находящееся в стадии строительства подземное сооружение рассматривается как один из составляющих элементов сложной природно-технической геосистемы, вторым элементом которой является окружающий подземное сооружение породный массив. В период строительства и эксплуатации подземных сооружений на взаимодействие подземного сооружения и породного массива существенное влияние оказывает технология строительства, которая является третьим элементом системы. Причем технология строительства во многом определяет характер взаимодействия подземного сооружения и окружающего

Рис. 1. Схема взаимодействия системы «массив - технология - подземное сооружение»: <----требования по соот-

ветствию; ^ - выполнение требований

породного массива на период всего жизненного цикла подземного сооружения.

Очевидно, что указанная система «массив -технология - подземное сооружение» должна быть отнесена к разряду динамических как в силу постоянного изменения свойств и состояния ее элементов, так и характера взаимодействия между последними.

Эта система включает в себя три основных элемента (рис. 1): породный массив (блок А), технологию (блок Б), подземное сооружение (блок В) и их взаимосвязи. Блок В включает характеристики, описывающие функциональное назначение подземного сооружения в решаемой задаче и формирует требования к характеристикам вмещающего массива. Блок А формирует исходную информацию по вмещающему массиву и предопределяет требования к технологии строительства. Соответственно, блок Б описывает варианты технологических решений, которые могут быть использованы для удовлетворения требований блоков АиВ.

Сформированная таким образом система включает элементы, состояние которых описывается разномасштабными и разноуровневыми характеристиками. С этих позиций подготовка исходных данных для проектирования строительства подземного сооружения заключается в выявлении соответствия между характеристиками элементов системы, а также оценке их взаимовлияния и взаимосвязей. Области такого соответствия находятся во взаимосвязях взаимодействующих элементов.

Риски при строительстве подземных сооружений

- Рис« • обеспечении а

экологи.

ЧЕСКИЙ

РИСК

УПРАВ-

ЛЕНЧЕ-

ИСПОЛ-

НИТЕЛЬ-

СКИИ

РИСКИ

- Рис* моего уровня оргма«**

ИМУЩЕСТВЕННЫЙ РИСК

ПРОИЗВОДСТВЕННЫЙ РИСК

ТОРГОВЫЙ РИСК

ФИНАНСОВЫЙ РИСК -------------1—

КОММЕРЧЕСКИЙ РИСК

Риск. сшяштшО с покуп*-

Иифля1*аоииый и дафпмрои-иый риски Ркс* упуиии-ИОЙ выгоды

| а™.**.

Рис* липидносш

ЭКОНОМИЧЕСКИЙ РИСК

Рис. 2. Классификация рисков при строительстве подземных сооружений

Взаимодействие подземного сооружения с породным массивом определяется сочетанием типа подземного сооружения с типом массива, как принципиально различных по материалу: «материал» породного массива функционирует по природным законам, а «материал» подземного объекта - по техническим. При этом задача состоит в том, чтобы из разнообразного материала создать единую природно-

техническую геосистему, функционирующую в оптимальном по некоторым фиксированным критериям режиме.

Разработка стратегии развития строительного бизнеса должна основываться на экологической оценке строительной организации и учитывать различные факторы риска, связанные с отраслевой спецификой.

Известно, что городское подземное строительство характеризуется высоким уровнем риска невыполнения требований проекта по срокам и качеству строительства. Обусловлено это скрытыми условиями строительства и большим количеством факторов риска. Структура факторов риска при строительстве городских подземных сооружений представлена на рис. 2. Для экологических рисков, как форми-

рующих наиболее неблагоприятные последствия для функционирования природно-

технической геосистемы «массив - технология

- подземное сооружение» разработана отдельная классификация по источникам их возникновения (рис. 3).

В целом из приведенной классификации преимущественными типами риска при подземном строительстве являются строительный, технологический и экологический риски, которые представляют наибольшую опасность в условиях становления рыночных отношений.

Так как безопасность исследуемой ПТГС во много определяется экологической составляющей, то одним из аспектов при исследовании характера развития рисковых ситуаций является прогнозирование экологического риска на всех стадиях жизненного цикла подземного сооружения.

Эволюционный процесс развития природно-технической геосистемы «массив - технология - подземное сооружение» можно условно разделить на три стадии. На стадии I происходит техногенное воздействие на компоненты природы, связанные с формированием строительной площадки, процессами подготовки к горно-проходческим работам и непосредственно к строительству подземного сооружения . Эта стадия характеризуется некоторым

Рис. 3. Классификация экологических рисков при строительстве подземных сооружений по источникам возникновения

условным максимумом техногенного воздействия, совпадающим с окончанием формирования природно-технической геосистемы. Стадия II, в случае полного отсутствия восстановительных мероприятий, характеризуется периодом сравнительно устойчивого состояния с сохранением имевшихся потерь. Стадия III характеризуется одной из трех форм:

• естественного устойчивого самовосстановления с окончательным периодом, отвечающим предельно допустимому уровню потерь, или не отвечающему этому нормативному уровню.

• естественного неустойчивого самовосстановления с периодом завершения восстановления, не отвечающим нормативному уровню минимальных потерь;

• техногенного восстановления, включающего ряд мероприятий инженерной защиты по этапам их выполнения, которые в сочетании с естественными процессами самовосстановления дают наибольший эффект сохранности объектов природы.

Техногенный вариант восстановления является более предпочтительным, т.к. обеспечивает минимизацию продолжительности восстановления и максимизацию компенсации потерь. Это соответствует минимальной величине экологического риска.

Масштаб экологических последствий при строительстве городских подземных сору-жений зависит от технологии их строительства; времени и динамики действия подземного объекта; поступления токсичных компонентов в породный массив при данном способе подземного строительства; геологической, гидрогеологической, инженерно-геологической ситуации; особенностей окружающей среды; эффективности природоохранных мер.

При выборе технологий строительства подземного объекта формирующая структура экологического риска номенклатуры выбираемых технологий (1...,М) включает деление риска по трем категориям (рис. 4): риск низкий, средней тяжести и высокий (соответственно - Кя, Яс,

яд

На начальном этапе проводится анализ отказов подземных объектов, оценка последствий отказов и аварий на экологическую безопасность системы «массив - технология - подземное сооружение».

Если оценить отказы подземных сооружений по фактору водопроницаемости обделок и определить вероятность провоцирования аварийной ситуации, то при известных значениях предельного ущерба на каждый вид работ при осуществлении той или иной технологии строительства, можно определить вероятность его непревышения для каждой категории факторов риска. Следовательно, процесс управления подземным строительством в условиях

К = Р . У . Р или К = Р„

• М,

н.о •> * ущ “ 1 н.о ущ , (!)

где Ри..0 - вероятность наступления отказа подземного сооружения; У - экологический ущерб

от происшедшей аварии; Ру1

вероятность

данного экологического ущерба; Мущ - математическое ожидание величины экологического ущерба.

возникновения рисковых ситуации должен включать в себя анализ риска; обеспечение защиты от риска; компенсацию возможного ущерба.

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. При этом должны рассматриваться следующие аспекты.

1 Выявление рисковых случаев, приводящих к экологической аварии.

2. Определение вероятности проявления каждого из этих рисковых случаев для конкретного района строительства за определенный период.

3. Определение величины опасности для каждого рискового случая.

4. Разработка моделей распространения рисковой ситуации для каждого рискового случая.

5. Разработка мероприятий инженерной защиты по ликвидации рисковой ситуации и ее последствий.

6. Разработка общих рекомендаций по повышению экологической безопасности городского подземного строительства.

Риск применения технологий подземного строительства определяется исходя из выражения:

Рис. 4. Ранжирование рисков

Величина экологического ущерба при этом формируется по двум возможным режимам техногенных воздействий:

• в неявном виде (безаварийная работа подземного сооружения, строительство, эксплуатация);

• в явном виде (наличие аварийных ситуаций на стадии строительства и в процессе функционирования подземного объекта).

Масштабы экологических потерь связаны с комплексом возможных причин, обусловивших экологическую опасность в районе размещения подземного сооружения, таких как:

• проектно-производственные дефекты подземных сооружений (ошибки при изысканиях и проектировании - 7-8 %, низкое качество выполнения строительных работ - 15 %, низкое качество строительных материалов, конструкций и пр.);

• воздействия технологических процессов (нарушение правил эксплуатации - 64 %; нагрузки, превышающие допустимые; температурные перепады; вибрации; действие агрессивных сред и другие причины - 3-4 %).

Так как рассматриваемая система «массив -технология - подземное сооружение» состоит из нескольких взаимозависимых и взаимо-влияющих элементов, то суммарный ущерб от техногенного воздействия в явном виде, определится выражением:

УI = Уп + Уи > (2)

где У„ - суммарный экологический ущерб, нанесенный природным (естественным) объектам; У„ - суммарный экономический ущерб, нанесенный объекту подземного строительства (искусственному объекту).

С учетом повышения энергоемкости подземного строительства уровень экологического риска технологий строительства подземных сооружений может быть определен из условия:

Рн.о1 -

^2У

п

(3)

где Е1, Е2 - энергетические эквиваленты сравниваемых элементов системы «массив - технология - подземное сооружение»; Рко1, Рн.о2 -

вероятности наступления отказа при эксплуатации подземного сооружения, влекущие развитие экологической опасности; т{ - константа, характеризующая меру экологической опасности по величине техногенных изменений, произошедших в конкретном объекте природы.

Каждый элемент формируемой природнотехнической геосистемы наделен свойствами, обусловливающими потенциально опасный уровень техногенных изменений объектов природы в соответствии со спецификой взаимодействия с окружающей средой.

Характеристика экологического состояния этой природно-технической геосистемы на стадии строительства может быть определена по следующим показателям:

• среднестатистическим параметрам

техногенных источников, определяющим меру воздействия на объекты окружающей среды;

• показателям техногенного изменения объектов окружающей среды;

Экологическое состояние природно-

технической геосистемы на стадии эксплуатации может быть описано схемами:

• перехода равновесных состояний с помощью системы параметров;

• промежуточных состояний, обусловленных техногенными нагрузками;

• компенсационных возможностей природных объектов;

• характера потока, отражающего

воздействие со стороны подземного

сооружения на окружающую среду и потерь для последней.

Основными характеристиками состояния природно-технической геосистемы «массив -технология - подземное сооружение» являются:

• £0 - техногенный уровень, соответствующий состоянию ПТГС до начала ее эксплуатации (например, по окончании строительства, завершения всего цикла подготовительных работ по пуску подземного объекта в эксплуатацию); характеризует энергетические возможности системы с точки зрения ограничений на выбор технологии строительства;

• ег - техногенный уровень на текущий момент функционирования ПТГС «массив -технология - подземное сооружение»; характеризует работу, совершаемую в границах природно-технической геосистемы в диапазоне регламентированных техногенных нагрузок.

Характеристика поведения ПТГС при переходе от одного техногенного состояния к другому определится из выражения (3) и будет иметь вид:

йЛ^ = йєо + йє,

о

Ъ, (4)

где Аа - работа по переводу системы из состояния С ОДНИМ техногенным уровнем £[ в состояние С другим техногенным уровнем £л;

II

II

II

(5)

|= £ц -£1 =|- |сЛ.

I II

ёЛ считается положительной величиной при повышении экологического риска ПТГС (К^1) и отрицательной при снижении экологического риска (К—^0).

Формируемые в составе природно-

технической геосистемы «массив - технология

- подземное сооружение» техногенные переходы могут быть выражены через ее энтропию.

Энтропия является мерой неопределенности состояния ПТГС «массив - технология -подземное сооружение» и мерой ее техногенных свойств. Энтропия системы Бс определяется из выражения:

^ = \—, (6)

£

где сА/е - приведенная работа, затрачиваемая на формирование ПТГС «массив - технология

- подземное сооружение» с интегральным техногенным уровнем е.

При реализации технологических процессов, характеризующихся величинами техногенных нагрузок <0[, <%, изменение состояния ПТГС еа = («[-Юн), будет иметь вид ёБеац -СБ£йЛ, а общее изменение энтропии:

( 1 1 Л

сЛ, (7)

йБе =

1

єа>П

1

£а>1

где е„щ и е„1 - характеризуют защитные функции ПТГС по техногенному изменению, обусловленному возрастанием техногенной нагрузки.

Увеличение техногенной нагрузки (<%>й)[) повышает экологический риск за счет техногенного снижения защитных функций объектов окружающей среды, т.е. ВццКе^. В этом случае ёБ1>0, что свидетельствует о возрастании энтропии природно-технической геосистемы «массив - технология - подземное сооружение», а, следовательно, и повышении экологи-

ческого риска применения выбранной технологии строительства подземного объекта.

Таким образом, важными требованиями, предъявляемыми к формированию и функционированию природно-технической геосистемы «массив - технология - подземное сооружение» являются:

• тенденция возрастания энтропии системы должна быть строго регламентирована жестким диапазоном количественных норм на все параметры конкретной технологии;

• идеальной технологией создания ПТГС, обеспечивающей минимизацию экологического риска, следует считать такую, которая характеризуется уменьшением энтропии, т.е. dSJdt<0.

Энтропийный анализ ПТГС позволяет определять экологическую безопасность системы. Вероятность экологически безопасной работы системы определяется выражением:

Р = Р0 ехр

М

т

\

у\£пр ~ £01 0

)&

(8)

где Р, Р0 - соответственно вероятности пребывания системы в конечном и начальном техногенных состояниях рассматриваемого временного интервала; ц - масштабный коэффициент, зависящий от фактической пропорции между величинами А и е = =ед-епр; е0 - исходный техногенный уровень системы до начала ее функционирования, определяющий меру защищенности природных объектов; е„р - предельный техногенный уровень; V - коэффициент, выражающий соотношение между единицей работы формирования техногенных свойств и уровнем экологической безопасности; Те - техногенный ресурс системы.

На основании (8) устанавливается взаимосвязь между уровнями техногенных свойств системы «массив - технология - подземное сооружение», ее техногенным ресурсом и вероятностями начального и конечного состояния системы. При известном значении, характеризующем вероятность наступления отказа в природно-технической геосистеме, зависимость (8) позволяет оценивать условие наступления экологически экстремальных ситуаций.

Одним из методов оценки экологического риска существующих технологий строительства подземных сооружений является балльная оценка.

Балльная оценка риска и технического состояния подземных сооружений основана на

количественной оценке значимости факторов, влияющих на риск аварии (факторов влияния). Число факторов и особенности алгоритма оценки риска могут варьироваться в зависимости от объема доступной информации, поставленной задачи и специфики городского подземного сооружения.

Влияние и вклад каждого фактора в общую балльную оценку риска и технического состояния подземного сооружения оценивается по определенной шкале с учетом поправочных коэффициентов. Предполагается, что частота аварий, связанных со строительством или эксплуатацией подземных сооружений, пропорциональна величине общей балльной оценки факторов данного участка сооружения. На основе анализа аварийности составляется перечень факторов влияющих на вероятность возникновения аварий на данном типе подземных сооружений. Факторы объединяют в группы: природные и техногенные; проявляющиеся на стадии строительства и эксплуатации; связанные с той или иной технологией строительства подземного сооружения; связанные с применением (неприменением) специальных способов и т.п. Оценка степени риска подземного сооружения по всей длине проводится на основе идентификации опасностей и оценки риска отдельных участков, характеризующихся примерно одинаковым распределением удельных показателей риска по всей длине участка. Длина каждого участка подземного сооружения может быть скорректирована с учетом возможных последствий аварий (например, по наличию в районе заложения подземного сооружения чувствительных к загрязнению компонентов окружающей среды). На каждом и-ом участке подземного сооружения определяют значение балльной оценки технического состояния участка по формулам:

I ■/ а)

рп Рг • я,, • В; (9)

¿¿¿¿а

г=1 у=1

N

1 N

В * = — У ¥п, N¿1 п’

(10)

где В и - балльная оценка фактора ¥у, Р1 - доля г-ой группы факторов; Яу - доля /-го фактора в г-ой группе; ¥п - балльная оценка и-го участка; В* - средняя балльная оценка подземного сооружения по всей длине, полученная на основе балльной оценки каждого участка; N — общее число участков.

Значение локальной частоты аварии Ап на участке определяется по формуле:

¿и=^% (11)

В

где Л - среднестатистическая частота аварий на данном подземном сооружении, ава-рий/(км-год).

Для определения во сколько раз локальная частота аварий Хп на участке отличается от средней Л по всему простиранию подземного сооружения оперируют коэффициентом влияния Квя:

Квл =%. (12)

А

Одним из перспективных научных направлений, связанных с решением проблемы экологического риска, являются исследования, относящиеся к гибким или управляемым технологиям строительства. Гибкие системы характеризуются наличием ярко выраженной обратной

связи между технологическим процессом и его управлением и контролем. Информация, полученная на стадии геологоразведочных изысканий, должна дополняться оперативными данными, полученными в процессе строительства подземного объекта. При поступлении сигнала со стороны звена контроля об изменении режима и условий работ, звено управления должно оперативно подстраивать или перестраивать технологию в соответствии с новой обстановкой. В результате создаются условия для: уменьшения коэффициентов запаса; предотвращения возможных аварийных ситуаций. Гибкие системы позволяют принципиально по-новому подойти к проектированию технологий для городского подземного строительства в тех случаях, когда сложная горно-геологическая обстановка, недостаточность или недостоверность изысканий, скрытые изменения физических условий работы определяют высокий уровень экологического риска.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Картозия Б.А. Строительная геотехнология. - М.: Изд-во МГГУ, 1998, 36 с.

2. Корчак A.B. Методология проектирования строительства подземных сооружений. - М.: «Недра коммю-никейшенс ЛТД», 2001, 415 с.

3. Куликова Е.Ю. Экологическая безопасность при освоении подземного пространства в крупных городах. Учебное пособие для студентов специальности «Шахтное и подземное строительство». - М.: Изд-во МГГУ, 2002; 376 с.

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

Куликова Елена Юрьевна - доктор технических наук, профессор кафедры «Строительство подземных сооружений и шахт»,

Корчак Андрей Владимирович - профессор, доктор технических наук,

Левченко Александр Николаевич - профессор,

Московский государственный горный университет.