Экологическая оценка традиционных технологий строительства городских подземных сооружений Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

-------------------------------------------- © Е.Ю. Куликова, 2004

УДК 69.035.4 Е.Ю. Куликова

МЕТОДЫ ОЦЕНКИ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО РИСКА СУЩЕСТВУЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЙ ПОДЗЕМНОГО СТРОИТЕЛЬСТВА *

Л/Т асштаб экологических последствий при строительстве городских тоннелей зависит от: технологии подземного строительства; производственной мощности тоннеля; 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.

Риск применения технологий подземного строительства определяется исходя из выражения:

К = Рн.о ■ У ■ Рущ или К = Рн.о ■ Мущ , (!)

где РИ..0 - вероятность наступления отказа тоннеля; У - экологический ущерб от происшедшей аварии; Рущ - вероятность данного экологического ущерба; Мущ - математическое ожидание величины экологического ущерба.

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 тоннелей (ошибки при изысканиях и проектировании - 7-8%, низкое качество выполнения строительных работ - 15%, плохое качество материалов и конструкций и пр.);

* Выполнено при финансовой поддержке в форме гранта Министерства образования РФ

• 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 «породный массив - технология - подземное сооружение» состоит из нескольких взаимозависимых и взаимовлияющих 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 тоннелей может быть определен из условия:

Р н.о1 -

1

р,

н.о2 ?

(3)

где Е2 - энергетические эквиваленты срав-

ниваемых элементов системы «породный массив - технология - подземное сооружение»; Рн.о1, Рн.о2 - вероятности наступления отказа при эксплуатации подземного сооружения, влекущая развитие экологической опасности; т{ - константа, характеризующая меру экологической опасности по величине техногенных изменений, произошедших в конкретном объекте природы.

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

Характеристика экологического состояния

этой природно-техническои системы 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 системы на стадии эксплуатации может быть описано схемами:

• перехода равновесных состояний с помощью системы параметров;

• промежуточных состояний, обусловлен-

ных техногенными нагрузками;

• компенсационных возможностей природных объектов;

• характера потока, отражающего

воздействие со стороны подземного

сооружения на окружающую среду и потерь для последней.

Основными характеристиками состояния замкнутой природно-технической системы

«породный массив - технология - подземное сооружение» являются:

• £0 - техногенный уровень, соответствующий состоянию природно-технической системы 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 системы «породный массив - технология - подземное сооружение»; характеризует работу, совершаемую в границах замкнутой природно-технической системы в диапазоне регламентированных техногенных нагрузок.

Характеристика поведения природно-

технической системы при переходе от одного техногенного состояния к другому определится из выражения (3) и будет иметь вид (4) [1]:

0

И 11 11 |й£0 = £П -£1 =|й£{ - |йА.

где йА считается положительной величиной при повышении экологического риска природно-технической системы (К—^1) и отрицательной при снижении экологического риска (Я^0).

Формируемые в составе замкнутой природно-технической системы «породный массив -технология - подземное сооружение» техногенные переходы могут быть выражены через энтропию природно-технической системы.

Энтропия является мерой неопределенности состояния природно-технической системы «породный массив - технология - подземное сооружение» и мерой ее техногенных свойств. Энтропия природно-технической системы определяется из выражения [2]:

^ = \—, (6)

£

где йА/е - приведенная работа, затрачиваемая на формирование природно-технической системы «породный массив - технология - подземное сооружение» с интегральным техногенным уровнем £.

При реализации технологических процессов, характеризующихся величинами техногенных нагрузок <% <%, изменение состояния природно-технической системы Ею = (©[-©п), будет иметь вид йБ,,Л1 - йБ,,Л, а общее изменение энтропии [2]:

( Л 1 Л

йА, (7)

1

£соП

1

еб)1

(4)

где АП - работа по переводу системы из состояния с одним техногенным уровнем е1 в состояние с другим техногенным уровнем еП;

где и е& - характеризуют защитные функции природно-технической системы по техногенному изменению, обусловленному возрастанием техногенной нагрузки.

Увеличение техногенной нагрузки (<%>©[) повышает экологический риск за счет техногенного снижения защитных функций объектов окружающей среды, т.е. е0]!1<ет1. В этом случае й?£>0, что свидетельствует о возрастании энтропии природно-технической системы «породный массив - технология - подземное сооружение», а, следовательно, и повышении экологического риска применения заданной технологии строительства подземного объекта.

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

• тенденция возрастания энтропии системы должна быть строго регламентирована жест-

ким диапазоном количественных норм на все параметры конкретной технологии;

• идеальной технологией создания природно-технической системы, обеспечивающей минимизацию экологического риска, следует считать такую, которая характеризуется уменьшением энтропии, т.е. dSlJdt<D.

Энтропийный анализ системы «породный массив - технология - подземное сооружение» позволяет определять экологическую безопасность системы. Вероятность экологически безопасной работы системы определяется выражением [1]:

(

Р = Р0 ехр

И

т

1 г

(8)

у\£пр “^0 0

V I г I у

где Р, Р0 - соответственно вероятности пребывания системы «массив - технология - сооружение» в конечном и начальном техногенных состояниях рассматриваемого временного интервала; ц - масштабный коэффициент, зависящий от фактической пропорции между величинами А И е = £<г%,; £о - 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; Т£-техногенный ресурс системы.

По (8) устанавливается взаимосвязь между уровнями техногенных свойств системы «породный массив - технология - подземное сооружение», ее техногенным ресурсом и вероятностями начального и конечного состояния системы. При известном значении, характеризующем вероятность наступления отказа в природнотехнической системе, 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 тоннелей 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 тоннеля.

Влияние и вклад каждого фактора в общую

балльную оценку риска и технического состояния тоннелей оценивается по определенной шкале с учетом поправочных коэффициентов. Предполагается, что частота аварий, связанных со строительством или эксплуатацией тоннелей, пропорциональна величине общей балльной оценки факторов данного участка. На основе анализа аварийности составляется перечень факторов Еу, влияющих на вероятность возникновения аварий на данном типе подземных сооружений (коллекторные тоннели, подземные коммуникационные сети, системы газо-и водоснабжения и т.п.). Факторы объединяют в группы: природные и техногенные; проявляющиеся на стадии строительства и эксплуатации; связанные с той или иной технологией строительства тоннеля; связанные с применением (неприменением) специальных способов и т.п. Оценка степени риска всей трассы тоннеля проводится на основе идентификации опасностей и оценки риска отдельных участков, характеризующихся примерно одинаковым распределением удельных показателей риска по всей длине участка. Длина каждого участка тоннеля может быть скорректирована с учетом возможных последствий аварий (например, по наличию в районе заложения тоннеля чувствительных к загрязнению компонентов окружающей среды). На каждом „-ом участке трассы тоннеля определяют значение балльной оценки технического состояния участка тоннеля по формулам [4]:

I 3 (г)

Е„ =ЕЕ Р1 • Ян • ВУ

(9)

г =1 у=1

1 Ы

В *= — У Е„, (10)

1 у „ =1

где В у - балльная оценка фактора Еу; р1 - доля г-ой группы факторов; Яу - доля у'-го фактора в г-ой группе; Е„ - балльная оценка „-го участка; В* - средняя балльная оценка трассы тоннеля, полученная на основе балльной оценки каждого участка трассы; N - общее число участков трассы.

Значение локальной частоты аварии Х„ на участке определяется по формуле:

Л„=Л-^, (11)

В

где Л - среднестатистическая частота аварий на данной трассе тоннеля, аварий/(км-год).

Для определения во сколько раз локальная частота аварий Хп на участке отличается от средней Л по трассе оперируют коэффициентом влияния Кш.

Квл =%. (12)

А

Для проведения обоснованного анализа эффективности мер по решению проблемы экологического риска применения технологий строительства подземных сооружений можно воспользоваться функциональными критериями по этапам формирования и развития природнотехнической системы «массив - технология -сооружение». В частности, это могут быть следующие критерии [3].

• для этапа строительства

m n | апр @пр I

WC (£ПТС ) = Ё Ё \ 1 rai(e)de Jrfjj (13)

i=1 j=l[a0 /30 J

• для этапа функционирования

m n I anp Pnp I

W3 (е'ПТС )=ЁЁ1 j rrn (t)dt j rfj (t)dt L (14) i=1 j-1 [ a0 /30 j

где rm(e), rje) - соответственно функции потерь окружающей среды по группам биогеоценозов а, (например, ухудшение состояния атмосферы и $ (например, истощение недр) в результате возможных диспропорций в формировании системы «породный массив - технология - подземное сооружение»); rm(t), rjt) -соответственно функции потерь окружающей среды по группам биогеоценозов а,, на этапе функционирования системы; а0, fig - минимальные потери

(в пределах ПДК, ПДВ), понесенные природными объектами; а„р, Р„р - предельные потери

1. Экология, охрана природы и экологическая безопасность. Уч. пособие под общ. ред. В.И. Данилова-Данильяна. - М.: МНЭПУ, 1997, 744с.

2. Мазур ИИ, Молдованов 0.И, Шишов В.Н Инженерная экология. - М.: Высшая школа, 1996, 637с.

3. Мазур И.И, Шишов В.Н. Основы охраны окружающей среды при строительстве нефтегазовых объектов. - М.: Недра, 1992, 150с.

(в пределах ПДК, ПДВ), понесенные природными объектами; £ПТС - экологическое состояние природно-технической системы; е - параметр системы.

Одним из перспективных научных направлений, связанных с решением проблемы экологического риска, являются исследования, проводимые в МГГУ на кафедре «Строительство подземных сооружений и шахт». Исследования относятся к гибким или управляемым технологиям строительства [5]. Гибкие системы характеризуются наличием ярко выраженной обратной связи между технологическим процессом и его управлением и контролем. Технологию строительства следует организовывать так, чтобы она была и контролируемой и управляемой. 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

4. Сборник нормативных актов. Правовое регулирование природопользования и охраны окружающей среды. РЭФИА, МООСиПР РФ, Москва. 1995.

5. Картозия Б.А., Малюжинец Д.Г. Решение проблемы риска в подземном строительстве. //В журн. «Горный вестник» №4, 1997, с.48-50.

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

Куликова Елена Юрьевна - доктор технических наук, профессор кафедры «Строительство подземных сооружений и шахт», Московский государственный горный университет.