CC BY
108
ДОКЛАД НА МЕЖДУНАРОДНОЙ КОНФЕРЕНЦИИ «ПОДЗЕМНЫЙ ГОРОД: ГЕОТЕХНОЛОГИЯ И АРХИТЕКТУРА» ________________________ САНКТ-ПЕТЕРБУРГ, 8-10 СЕНТЯБРЯ 1998 Г. _______________
Б.А. Картозия Г.А. Оськина С.А. Мельникова
Московский государственный горный университет
ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ОСВОЕНИЯ ГОРОДСКОГО ПОДЗЕМНОГО ПРОСТРАНСТВА
Исследования относятся к области строительства городских подземных сооружений. Целью данной работы является разработка единой концепции проектирования, строительства и эксплуатации городских подземных сооружений с учетом их экологической надежности. В результате исследований разработан комплексный подход к экологической оценке городского подземного строительства и принци-пиальные структуры основных систем
В экономическом развитии России важную роль играет освоение природных ресурсов и, в частности, недр земли. Необходимые потребности человеческого общества и уровень его научно-технических возможностей определяют глубину проникновения в недра и масштабы их освоения.
Ресурсы недр или георесурсы представляют собой компоненты природы, которые на данном уровне развития производительных сил используются или могут быть использованы в качестве средств производства и предметов потребления. Особое место в классификации георесурсов занимают природные и техногенные полости в недрах земли. К ним относятся пещеры, горные выработки, пригодные для повторного использования после исчерпания своих основных функций, а также специально создаваемые подземные сооружения различного функционального назначения. С этих позиций, отдельные участки земной коры, пригодные для размещения в них промышленных, хозяйственных и других объектов, с полным основанием могут рассматриваться как особый вид георесурсов.
Область научной и производственной деятельности, связанную с использованием имеющихся в массиве горных пород природных полостей и строительством специальных подземных сооружений для размещения в них различных объектов жизнеобеспечения человеческого общества, в горнотехнической литературе называют освоением подземного пространства.
Размещение объектов различного назначения в подземном пространстве, помимо повышения эффективности использования недр, экономии территории и сохранения экологической чистоты, позволяет уменьшить затраты энергии на отопление и охлаждение помещений, сократить эксплуатационные расходы по сравнению с альтернативными сооружениями на поверхности, снизить влияние климатических условий [11-
Урбанизация привела к негативным изменениям геологической среды, истощению водных ресурсов, загрязнению почвенного покрова и атмосферы, появлению техногенных и антибиогенных факторов, отрицательно влияющих на здоровье человека. Поэтому охрана и улучшение окружающей среды в городах является актуальной проблемой для всех отраслей городского хозяйства, в том числе и для подземного строительства. Поддержание экологического равновесия рассматривается авторами как главная цель экологии освоения подземного пространства. При этом содержание понятия равновесия несколько отлича-
ется от классического, гак как подземное строительство связано с нарушением природной и созданием искусственной среды для жизнедеятельности человека в неестественных для него условиях.
Единство природной среды, глубокие внутренние взаимосвязи всех ее составляющих и процессов определили решение этой проблемы на целостном системном подходе ( 2 ]. Решение экологических задач на современном уровне требует увязки естественных социальных, экологических и технических аспектов.
Основными принципами построения предлагаемой концепции освоения городского подземного пространства следует считать:
• создание для человека в городском подземном объекте наиболее комфортных условий труда и отдыха;
• строительство и эксплуатация подземных сооружений не должны наносить ущерб окружающей среде;
• оздоровление экологической обстановки в городе за счет перевода под землю ряда объектов, вызывающих отрицательные последствия атропогенного воздействия на окружающую среду
Выбор этих принципов в качестве основополагающих обусловлен следующими предпосылками.
В отличие от ранее принятого подхода к проектированию, строительству и эксплуатации городских подземных сооружений первый принцип предполагает наиболее важным создание в подземном объекте высокого уровня комфортности труда и отдыха человека, что позволит привлечь людей к многоплановому использованию подземного пространства.
До настоящего времени технология сгроительства и эксплуатации подземных сооружений не рассматривалась с позиции
сохранения стабильности окружающей среды. В связи с этим принципом необходимо провести переоценку всех технологических способов строительства, гребований к материалам и конструкциям систем эксплуатации объектов.
Наличие большого количества предприятий и служб, заг ромождая поверхность, эстетически не облагораживают город и зачастую служат источниками вредных выбросов. Размещение их в подземном пространстве, с одной стороны, уменьшает территориально-площадное развитие города, а с другой - дает возможность более строгого контроля.
Система взглядов на антропогенное воздействие на недра городов предполагает предварительный дифференцированный подход к изучению сложной экологической системы “человек - подземное сооружение -окружающая среда”, которая для удобства может быть разделена на две подсистемы : "человек-подземное сооружение" и "подземное сооружение-окружающая среда" с последующим синтезом полученных результатов и в интегральной характеристике.
Трехуровневая подсистема "человек-подземное пространство" (рис. 1) включает:
• элементы системы комфортного жизнеобеспечения человека в подземном сооружении - I уровень;
• пофакторная оценка элементов жизнеобеспечения и их техническая реализация - II уровень;
• многокритериальный метод экологической оценки уровня комфортности условий жизнедеятельности в подземном пространстве и модель организации подземного пространства - III уровень.
Нормальная .жизнедеятельность организма человека и его работоспособность достигаются соответствующим сочетанием таких элементов системы как полезное про-сгранство, воздухоснабжение, освещение,
ПОДСИСТЕМА ЧЕЛОВЕК ПОДЗЕМНОЕ ПРОСТРАНСТВО
ПЕГ
Полезное
пространство
Г
Отопление
Воздухо-снабжение
1
и
с
с:
с
X
X
о
X —
X
*-
0, о
-I. X.
о г»
а- *-
и:
и а.
С -г
и >*
о
и а;
о
_
ь
X С.
-с -
о
X
н
и
X
X
о,
е-
о
О
С-
с
о
X
г
о
со
н
и
*3
о
2
гэ
X
о
о.
•X
X
X
г>
3
Т. К
0, X
X.
а. х и
с X
о
X о е-
—* ~ч о а- о
О X о ь X
н X
ь 'О
X X со
-о X о
о. й/
*- с:
о а.
с о э
о. и. о
с 6 о
X
э
з
о
23
X
т- К
II 2 2}
Е 2. г |
31 о со 5
3 §
^ 5
н
и X X О
о *
ПЛ
о
X
о
О/
а.
I-
о
к
X
X
г
*
о
СО
X
о
о
*3
о
а
х
«о
ш
о
Ч
>*,
О-
о
>о
о
с*
X
я
о
о
Г*
о.
о
о
•с
5
X» о
о.
и > X
з; г-?
ГЭ * 1»
О
и *т*
3* о
X
н X
и X
> с.
ж —
с
*
с
гэ
С-
и
го
X X
о
X X
X
ж а
4-1 а.
<ь 'С
X X
X X
2
(0 о
X X
X КС о
X
— я
а.
X "
са >
Многокритериальный метод экологической _______оценки уровня комфортности_________
Организация подземного пространства_____________
Рис. 1 . Подсистема «Человек - подземное сооружение»
отопление, водоснабжение, удаление отходов. а так же ограничением или полным устранением действия таких факторов( шум. вибрация). Перечисленные элементы и факторы как в совокупности, так и каждый в отдельности могут оказать неблагоприятное влияние на организм. При этом вероятно возникновение таких ситуаций, когда один из факторов становится превалирующим.
Нормирование факторов должно быть дифференцировано для различных видов труда и отдыха: повышенная комфортность, оптимальная, допустимая. Назначение сооружения определяет нормы жизнеобеспечения человека в нем и, как следствие, объемы дополнительного пространства, необходимого для оптимального функционирования объекта.
Многофакторная модель жизнеобеспечения человека в подземном сооружении явилась основой для разработки научного
метода многокритериальной экологической оценки уровня комфортности объекта в зависимости от назначения, который позволяет определить сочетание действия всех факторов, выявить превалирующие и учесть их влияние на начальной стадии проектирования.
Нормы, закладываемые в проект, определяют основные и вспомогательные объемы сооружения. Для выявления вариантов объемно-планировочных решений объекта служит математическая модель организации пространства.
В связи со сложностью рассматриваемой подсистемы предлагается систематизация факторов (рис. 2), определяющая граничные условия и позволяющая при проектировании объектов значительно сократить объем просчета вариантов экосистемы.
В результате взаимодействия окружающей и внутренней сред человек подвер-
гается воздействию множества физикохимических факторов по схеме: окружающая среда - ограждающие конструкции-внутренняя среда - человек. Воздействие
среды только тогда бывает благоприятным, когда колебания значений этих факторов не выходят за пределы нормативных.
Рис.2. Систематизация факторов
Параметры определяющие элементы системы комфортного жизнеобеспечения, были обобщены по рекомендациям СНиГ! для наземных сооружений: (СНиП II-4-79 Естественное и искусственное освещение; СНиП И-90-81 Производственные здания промышленных предприятий; СТ СЭВ 1404-78 Здания промышленных предприятий, геометрические параметры; СНиП 2.09.04.87 Административные и бытовые здания; СНиП 2.04.86 Отопление, вентиляция и кондиционирование; СНиП 2.01.02.85 Противопожарные нормы; СНиП 2.04.01.85 Внутренний водопровод и канализация зданий; СНиП 3.05.88 Газоснабжение; СНиП 2.04.07.86 Тепловые сети; СНиП Н-12-77 Защита от шума и др.).
При разработке многокритериального метода экологической оценки уровня комфортности условий жизнедеятельности
в подземном объекте были проанализированы и обобщены следующие сведения об условиях труда в объектах различного назначения: микроклиматические факторы,
которые создаются с помощью систем отопления, вентиляции и кондиционирования; качественные и количественные параметры воздушной среды; водоснабжение и канализация; освещение, а также способы обеспечения нормативных требований к условиям среды в закрытых помещениях.
Сравнительный анализ норм и требований, обеспечивающих нормальную жизнедеятельность человека, позволил констатировать существование большого диапазона параметров для объектов различного назначения. В подавляющем большинстве случаев превалирующим фактором является воздухообеспечение подземного объекта.
Данный метод был апробирован на подземных гаражах и складских помещениях. Выбор этих объектов был обусловлен сходностью их по назначению, характеру эксплуатации и продолжительности нахождения человека в подземных условиях. Однако нельзя утверждать, что они полностью тождественны, так как грузы различного назначения требуют соответствующих условий хранения, т.е. наблюдается несовпадение по факторам комфортности внутренней среды (как пространственной, так и фи-
зической) и, как следствие, по эксплуатационному оборудованию, обеспечивающему комфортность условий.
Доля дополнительных объемов площадей для размещения оборудования, обеспечивающего комфортность условий, в зависимости от назначения, условий хранения и т.д. для этих объектов колеблется от 30 до 40%.
Четырехуровневая подсистема
"подземное сооружение-окружающая среда" (рис. 3) включает:
Рис. 3. Подсистема «Подземное сооружение - окружающая среда»
• научно-методическое обоснование оценки горно-геологических условий с позиции строительства и эксплуатации, требования экологической надежности при строительстве и эксплуатации объектов -1 уровень;
• научные основы разработки технологий, включающих нарушение естественных, геомеханических и гидродинамических процессов в
массиве, методические подходы к обоснованию долговечности конструкций с учетом экологических требований и классификацию объектов по экологическим признакам - II уровень;
• моделирование технологических схем, процессов поддержания объектов в рабочем состоянии, аэродинамических и гидродинами-
ческих процессов в подземном сооружении - III уровень;
• многокритериальный метод оценки строительства и эксплуатации подземных сооружений -IV уровень.
Эффективность строительства и эксплуатации подземных сооружений зависит от рационального выбора материала и параметров конструкции, технологии и организации работ, которые в первую очередь определяются горно-геологическимн условиями Поэтому необходима разработка методики оценки пригодности горногеологических условий с позиции строительства и эксплуатации объектов.
Применяемые в настоящее время строительные материалы, подземные конструкции, технология и организация строительства, способы эксплуатации и поддержания объектов в должной мере не учитывают современных экологических требований. К тому же сами требования не имеют научно обоснованных критериев. Поэтому необходимо разработать нормативные требования экологической надежности и на их основе обосновать методических подход к созданию новых технологий и пересмотреть существующие технологические решения строительства и эксплуатации.
При разработке основ экологической надежности подсистемы "подземное сооружение-окружающая среда" решались две основные задачи:
• обосновать технологические решения строительства, материалы и конструкции, которые обеспечат долговечность сооружения и его безаварийную работу, исключающую нарушение естественных геомеханических и гидродинамических процессов в массиве;
• сформулировать экологические требования к технологическим способам строительства в период строительства.
За основной критерий при решении первой задачи принята надежность- свойство конструкции сооружения выполнять заданные функции, сохраняя свои эксплуатационные показатели в заданных пределах в течение требуемого промежутка времени. Надежность сооружения включает безотказность, долговечность, сохраняемость и ремонтопригодность сооружения в целом и отдельных его конструкций.
Для решения первой задачи нами была предложена систематизация горногеологических условий (применительно к г. Москве) по возможности использования способов строительства и мероприятий по защите подземных сооружений в период эксплуатации.
Как показал анализ опыта строительства и ремонта подземных объектов, наибольшее влияние на технологическое решение основных строительных процессов оказывают: литологический состав вмещающих пород и их физико-механические свойства: фильтрационные свойства водовмещающей толщи; гидрогеологическая ситуация, агрессивность грунтовых вод; наличие ослабленных пород и развитие инженерно-геологических процессов. Однако, наиболее значимым при строительстве и эксплуатации является гидрогеологический фактор, и поэтому все типы горногеологических условий разделены на три группы по основному признаку - стоимости комплекса мероприятий по борьбе с водой в период строительства и эксплуатации. Так, для I группы она составляет до 30% стоимости возводимых сооружений, для II - от 30 до 50%, для III - более 50%, однако, в определенных случаях с применением с специальных способов она значительно выше (например, при применении спецспособа для создания ледопородного ограждения замораживанием она составляет до 300%). Если в 1 и II группах горно-геологических условий основную часть составляет стоимость защитных мероприятий, необходи-
мых для надежной эксплуатации, то для третьей группы - стоимость мероприятий по водоподавлению в период строительства. Систематизация проводилась на основе материалов НИиПИ Генплана г. Москвы.
Область применения технологии строительства и создания гидроизоляционных защит зависят от глубины заложения объекта. В связи с этим систематизация горно-геологических условий проводилась с учетом глубины заложения объектов (до 5 м, от 5 до 15 м и более 15 м).
Для решения второй задачи использовалась классификация [ 3 ] .в которой существующие способы и методы ведения горных работ отнесены к трем группам:
• способы строительства подземных сооружений (котлованный. траншейный, щитовой. БВР. комбайновый и пр.);
• способы воздействия на массив, позволяющие ликвидировать влияние водопритоков в период строительства ("стена в грунте", водопонижение, замораживание и пр.);
• методы, обеспечивающие надежность конструкций но борьбе с водой в период эксплуатации (создание внешней и внутренней гидроизоляции, уплотнение фунтов по наружному контуру конструкции).
В качестве критериев для различных способов строительства приняты ; для БВР -суммарное количество ядовитых газов, выделяющихся при взрыве в пересчете на СО, допустимые величины просадок; для водо-понижения - допустимые величины просадок; для способа замораживания - ПДК хла-доагентов и ПДК хладоносителей, если они токсичны, допустимые величины просадок после размораживания ледопородного ограждения.
Большой опыт строительства подземных объектов позволил решить ряд про-
блем, связанных с влиянием технологий на окружающую среду: существуют ограничения по применению водопоннжения и БВР из-за возможных просадок, способа замораживания - по материалам, применяемым для замораживания пород.
Однако, в настоящее время не учитывается вредное влияние на окружающую среду компонентов, входящих в состав конструкционных материалов, применяемых для создания гидроизоляционных зашит, обеспечивающих надежную работу объектов в период эксплуатации.
В качестве критериев экологической надежности взяты предельно допустимые концентрации (ПДК) для воды и почвы токсичных компонентов, входящих в состав материалов, используемых в указанных технолог ических процессах [4].
Анализируя состав основных средств химического закрепления грунтов [5], используемых при строительстве городских подземных сооружений, следует отметить. что при применении способа смолиза-ции можно ожидать поступления в грунты и воду токсичных мономеров, которые всегда присутствуют в смолах вследствие неполной полимеризации исходных компонентов; в мочевино-формальдегидных (карбамид-ных) - формальдегид; в фенол-формаль-дегидных - фенол и формальдегид; в фура-новых - формальдегид и хлорпрен или ди-винилстирол; в эпоксидных полиэтиленпо-лиамид. Концентрация этих токсичных веществ в несколько раз, а ряде случаев и на несколько порядков превышают предельно допустимые концентрации для воды и почвы.
Анализируя компоненты, входящие в состав композиций, используемых для гидроизоляционных защит [6], следует отметить, что все основные виды гидроизоляции не являются экологически чистыми.
Так, при использовании оклеечных гидроизоляций для огрунтовки применяются в качестве разжижителей бензины, ПДК
которых составляет 300 мг/куб.м для бензина растворителя и для бензина топливного -100 мг/куб.м. При использовании окрасочных битумных гидроизоляции применяются, кроме бензина, бензол с ПДК=5 мг/куб.м, а битумно-натриевых - толуол с ПДК=50 мг/куб.м. Для штукатурных гидроизоляций применяется огрунтовка. содержащая до 70 % растворителей (бензин, толуол).
Вышеизложенное позволяет сделать вывод о необходимости замены общепринятых типов гидроизоляции на альтернативные - экологически чистые.
Вышеизложенное позволяет сделать вывод о необходимости замены общепринятых типов гидроизоляции на альтернативные - экологически чистые.
Проведенный анализ подтверждает правильность следующих выводов:
• на основании комплексного подхода к проектированию, строительству и эксплуатации экологически надежных городских подземных сооружений определен принцип рассмотрения экологических аспектов освоения городского подземного пространства, при котором доминирующим является приоритетность требований комфортности условий уровня жизнеобеспечения людей в подземных объектах и поддержание экологического равновесия в период эксплуатации;
• разработанные модели подсистем "человек-подземное сооружение"
и "подземное сооружен ие-окружающая среда" являются основой интегрального многокритериального метода оценки экологической надежности строительства и эксплуатации городских подземных сооружений;
• решение поставленной в работе проблемы требует проведения большого объема фундаментальных исследований, как теоретических, гак и экспериментальных, направленных на создание научной базы проектирования экологически надежных городских подземных сооружений.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Картозия Б.А. О разработке научно-исследовательской программы по освоению подземного пространства России. Ж. Проблемы освоения подземного пространства, N2, 1995 г.
2. Картозия Б.А., Оськина Г.А., Мельникова С.А Методические подходы к выработке единой экологической концепции освоения городского подземною пространства. В кн. Комплексное освоение месторождений твердых полезных ископаемых. М., 1991, Вып.I.
3. Корчак А.В. Логико-информационный подход к проектированию строительства подземных сооружений в сложных горно-геологических услови-ях.Горный информационно-аналитический бюллетень, М., МГГУ. 1996, Вып.З
4. Лазарев В.П. Вредные вещества в промышленностям., Медицина 1980.
5. Ржаницын Б.А. Химическое закрепление фунтов в строительстве.М., Стройиздат, 1986.
6 Попов Л.Н. Контроль качества работ в жилищном строительстве М., Стройиздат, 1985.
© Б.А. Картозия, Г.А. Оськина, С.А. Мельникова
