CC BY
16
© Е.Ю. Куликова, 2014
УЛК 69.035.4 Е.Ю. Куликова
НАДЕЖНОСТЬ И БЕЗОПАСНОСТЬ ОСВОЕНИЯ ПОДЗЕМНОГО ПРОСТРАНСТВА ГОРОДОВ
Представлены основные постулаты методики определения потенциальной опасности подземного строительства с учетом условий нормальной эксплуатации подземных сооружений и аварий.
Ключевые слова: надежность, риск, подземное сооружение, опасность, строительство, авария.
По данным научно-исследо-ватедьского института Генерального плана Москвы в столице ниже уровня земной поверхности может быть размещено до 70% гаражей, 60% складов, до 50% архивов и разного рода хранилищ, до 30% учреждений культурно-бытового назначения, до 3% зданий научно-исследовательских институтов и вузов [1], [3]. Город располагает более чем 200 построенными подземными переходами и транспортными тоннелями, среди которых эксплуатиру-
емая часть коммунальных тоннелей превышает 160 км, а ежегодный ввод организациями ОАО «Мосинжстрой» таких тоннелей превышает 15 км. Функционируют или строятся расположенные под землей крупные объекты: торговый комплекс в районе Курского вокзала, Пушкинской площади (рис. 1) и др.
Очевидно, что сохранение высокой эксплуатационной надежности всех этих объектов в течение всего установленного срока их службы -весьма актуальная задача.
Торговый центр «Всепогодный»
Памятник Пушкину оставят на месте
Под памятником Пушкину будет 3-этажный паркинг
Рис. 1. Вариант застройки Пушкинской площади
Применение теории надежности и риска в области подземного строительства позволяет на основании статистической обработки результатов лабораторных и производственных исследований устанавливать законы вероятностного распределения изучаемых показателей породного массива вокруг подземного объекта. Получаемые закономерности, в свою очередь, дают возможность прогнозирования долговечности конструкций подземных сооружений, осуществлять более рациональные подходы к их проектированию.
В целом понятие «безопасность» относится к сфере охранной деятельности, которая проявляется, когда возникает угроза здоровью или даже жизни людей вследствие природных катаклизмов или результатов деятельности людей по повышению комфортности их существования. Поэтому инструментами безопасности являются средства, доступные людям и ими же созданные в виде инженерных сооружений [6].
Математически легко определить безопасность (5,) как величину, обратную риску (Я)5 = 1/Я. Отсюда следует, что если риск равен нулю (Я = 0), то безопасность имеет очень большое значение, иначе говоря, в таком случае мы имеем дело с полной безопасностью. И наоборот, если риск ущерба здоровью или потере жизни при каких-то технологиях или средствах перемещения очень велик (Я = да), то безопасность очень мала, а опасность потерять здоровье или даже жизнь очень велика.
Любой вид общественно-производственной деятельности связан с опасностью для здоровья не только занятых на этом производстве людей, но и для населения. Приходится констатировать, что все инженерные сооружения, так или иначе, опасны для человека. Отсюда возникает необхо-
димость разработки адекватных мер безопасности.
Многочисленные опубликованные данные показывают, что нормальная эксплуатация подземных объектов, оборудованных современной техникой, не наносит заметного ущерба ни человеку, ни окружающей среде. Вывод по этим данным следующий: вложение средств в улучшение условий эксплуатации подземных сооружений наименее эффективно. Однако, оценка эффективности (и необходимости) финансовых вложении в освоение подземного пространства может измениться на обратную, если вести ранжировку по некой суммарной величине с учетом условий не только нормальной эксплуатации, но и необходимости предотвращения аварий, их локализации и ликвидации последствий [7].
Для ранжировки подземных объектов следует разработать специальную методику определения потенциальной опасности строительства с учетом условий нормальной эксплуатации и аварий.
В качестве первого шага можно предложить следующее выражение для оценки потенциальной опасности аварийных ситуаций:
Япот = ЯN (1 + а^ + ), (1)
где а2 = а1 + а2, Япот - риск, который потенциально содержит в себе та или иная техника (технология) или ее часть; Я - осредненная величина коллективного риска, т.е. число случаев заболеваний или смертей в результате одной аварии; N - среднее число аварий при данной технологии на один подземный объект
= ( пт , Iпш - общее число аварий с вредным воздействием на природу или человека в городском подземном строительстве; п. - число травмированных людей; ш. - число
1 и а2 - соответствую-статистические коэффициенты;
фактов поражения представителей природы; М - общее число потенциально опасных технологий (единиц техники) в данной отрасли техники; t1 - продолжительность вредного последействия на окружающую среду; t2 - продолжительность последействия на человека; а щие
a2 = al + a2 учитывает прямое вредное воздействие на человека (коэффициентом а2) и косвенное воздействие, учитываемое коэффициентом al через объекты природы.
Приведенное выражение показывает, что все технические устройства следует разделить на две большие группы: с вредным воздействием (когда t1>0 или t2>0, или tv t2>0) и без него (когда t1=t2=0).
Весьма важно разработать научно-обоснованные методики ранжировки (распределения в приоритетном ряду) различных подземных объектов в соответствии с их функциональным назначением - по критерию вредного воздействия на окружающую среду. Видимо, получается два разных приоритетных ряда: один - для условий нормальной эксплуатации, другой -для аварий.
Последовательность в этих рядах может существенно отличаться.
Как уже отмечалось, известны два принципа обеспечения безопасности:
1. ALAPA (as low as practically achievable) - установление уровня опасности настолько низким, насколько это достижимо практически, то есть внедрение всех мер защиты, которые практически осуществимы;
2. ALARA (as low as reasonably achievable) - установление уровня опасности настолько низким, насколько это можно разумно достигнуть.
Нулевая опасность, как показывает практика, достижима лишь в некоторых частных случаях, удовлетворяющих двум условиям одновременно:
Рис. 2. Зависимость полного риска Яп для населения от затрат на защиту X:
Яп - прямой риск от воздействия выбросов (миграции вредных веществ); Як - косвенный риск, связанный с отказом систем безопасности; Яп - полный риск
• выбросы или миграция вредных веществ при применении конкретных технологий и спецспособов в окружающую среду не превышают порогового действия на человека;
• рассматриваются условия эксплуатации без существенных отклонений от предписанных норм.
На рис. 2 представлена зависимость риска Я для населения от затрат на системы безопасности X.
Из рисунка следует, что увеличение затрат на системы безопасности (увеличение количества систем безопасности) приводит к росту косвенного риска Як. Поэтому при беспороговом вредном воздействии полный риск Яп = Япр+Як может достичь лишь некоего минимума Я1, существенно отличного от нуля.
Если попытаться ранжировать технологии подземного строительства по степени их потенциальной опасности, используя формулу (1), получим:
ROT = KT ( + aiti + a2t2)
(2)
где а2 = а1 + а2, Япот - риск, который потенциально содержит в себе та или иная технология, или их части; К -коллективный риск (сумма индивидуальных рисков), т.е. число случаев заболеваний или смертей в результате аварий при той или иной технологии
подземного строительства; N - среднее число аварий при данной технологии на одну операцию N = (( п.т. ))М, X пт - обшее число аварий с вредным воздействием на природу или человека в данной отрасли техники; п. - число травмированных людей; т. - число фактов поражения представителей природы; М - обшее число потенциально опасных установок в данной отрасли техники; t1 - суммарная продолжительность вредного воздействия и последействия на окружаюшую среду в результате аварии в данной отрасли; t2 - суммарная продолжительность вредного воздействия и последействия на человека в результате аварии в данной отрасли; а1 и а2 - соответствующие статистические коэффициенты; коэффициент учитывает воздействие на человека через пораженные объекты природы, а а| учитывает прямое воздействие.
Рис. 3. Зависимость риска Я, создаваемого для населения некоторым производством, от Ззаш: для прямого риска Я показаны два варианта, характеризуюшиеся возможностью (кривая 1) и невозможностью (кривая 2) достичь нулевого риска. Косвенный риск Я и полный риск Я относятся к
1 косв 1 п
варианту 2 поведения Я
Используя выражение (2), нетрудно все инженерные сооружения разделить на две группы по степени их потенциальной опасности при возникновении аварий:
• без вредного последствия (при t1=t2=0) и
• при нанесении ушерба в период после аварии окружаюшей среде (^>0) или человеку (^>0) или обоим объектам ^ >0).
Безопасность подземных сооружений рассматривается в двух ее состояниях: нормальный (штатный) эксплуатационный режим и нештатный режим разного масштаба (инцидент, аварийное состояние). Для условий нормальной эксплуатации в обшем случае зависимость риска для окру-жаюшей среды и человека от выхода загрязняюших вешеств в гидросферу, атмосферу, почву может быть графически описана одной из двух кривых (рис. 3) [4], [5].
При пороговом действии загрязня-юших вешеств может быть достигнут нулевой риск или абсолютная безопасность. Для этого надо всего лишь установить нормы выбросов ниже порога их действия (кривая 1). Тогда при затратах на зашиту величиной 31заш обеспечивается полное отсутствие опасности и соответственно безупречная социальная приемлемость данной технологии строительства подземного объекта и строительного производства в целом. В настояшее время, например, принята беспороговая концепция воздействия радионуклидов на живые организмы. В этом случае увеличение затрат на зашиту не приводит к абсолютной безопасности (кривая 2). Конечная величина риска Я обуслов-
1 кон
лена физикой процессов и технологией получения конечного результата. Увеличение затрат на дополнительные инженерные сооружения для зашиты приводит к появлению дополнительной составляюшей риска Як, связанной
с несовершенством дополнительных защитных устройств (рис. 3), которая возрастает с увеличением и усложнением этих устройств. В результате наложения двух составляющих возникает кривая с минимумом Яг показывающая, что существует оптимальное значение риска, которое может существенно отличаться от К=0.
В аварийной ситуации тем более нереальна ситуация, при которой Ик (рис. 3) равен нулю.
Можно предположить, что эта величина для аварийной ситуации будет значительно больше нуля, так как включает:
• непознанность даже на теоретическом уровне всех возможных путей перехода оборудования в нештатные режимы и, как следствие, отсутствие точного представления о том, какая нештатная ситуация реализовалась в действительности;
• отсутствие математических моделей нештатных ситуаций в реальном времени;
• неадекватность (неполнота) отображения реальной картины процесса информационной системой оборудования и, как следствие, невозможность точно распознать образ нештатной ситуации персоналом подземного объекта;
• неадекватность (полная или частичная) реакции персонала;
• даже при идеальной теоретической базе на реальном подземном объекте теоретически модели отдельных физических процессов не воспроизводятся в точности вследствие разного рода отступлений при проектировании сооружения в целом, конструировании отдельного оборудования, разработке технологических схем взаимосвязи оборудования, изготовлении оборудования, строительстве зданий на земной поверхности, монтаже оборудования, его наладке и в процессе его длительной эксплуатации.
Ремонтные работы в свою очередь накладывают часто (как показывает
практика) заметный отпечаток на оборудовании, не улучшающий его характеристики.
Все вместе, именуется в технической литературе «человеческий фактор», под которым скрываются:
• недостаточность профессиональной квалификации (или, как крайний случай, ее отсутствие, что тоже бывает в действительности),
• отсутствие системы обновления (восстановления) профессиональных навыков,
• отсутствие (или неэффективность) системы технической учебы с целью повышения научного или инженерного кругозора и совершенствования методов работы и используемых средств,
• отсутствие системы пооперационного контроля и самоконтроля при всех работах по созданию и использованию подземного сооружения, начиная с технико-экономического обоснования строительства и кончая снятием объекта с эксплуатации,
• неудовлетворительное психофизическое состояние работника,
• невнимательность или небрежность в работе,
• нерешенность социальных проблем, в том числе материальная необеспеченность,
• отсутствие уважения или даже гордости за свою профессию, а также отсутствие осознания высокой личной ответственности при создании и эксплуатации подземного сооружения.
Разумеется, проявление перечисленных здесь негативных сторон «человеческого фактора» носит лишь вероятностный характер, они проявляются не все и не в полной мере. И, тем не менее, они имеют место в настоящее время (были и в прошлом), будут проявляться и будущем. Думается, что никакая суперавтоматизация не освободит полностью инженерные сооружения от человеческого фактора, так как сами автоматизированные системы создают-
ся людьми и несут в себе все перечисленные выше негативные особенности.
При этом следует понимать, что все существенные недочеты, допу-
1. Ресин В.И. Об освоении подземного пространства Москвы // Горный вестник. 1997. № 4.
2. Тевлин С. А. Культура безопасности на АЭС // Уч. пособие для студентов. М.: МЭИ, 1996.
3. Теличенко В.И. Критические технологии в строительстве // Строительные материалы, оборудование и технологии XXI века. № 1, январь 1999. С. 29.
4. Ваганов П.А. Ядерный риск. СПб. 1997. 112 с.
5. Ветошкин А.Г. Мониторинг и аудит промышленной и экологической безопасности // Известия Академии промышленной экологии. 2004. № 1. С. 20-25.
щенные на любой стадии жизненного цикла подземного сооружения, проявляются во время его эксплуатации.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
6. Куликова Е.Ю. Выработка критериев экологической безопасности применения технологий и способов строительства коммунальных подземных сооружений // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2002. № 1. С. 49-52.
7. Куликова Е.Ю. Критерии экологической оптимизации городского подземного строительства по показателю качества принятой технологии / Сборник научных трудов общероссийской конференции «Резервы ускорения экономического роста и удвоения ВВП РФ», 12-13.IX.05. М.: ООО «Недра коммюникейшнс ЛТД», 2005. С. 6873. ЕШЭ
КОРОТКО ОБ АВТОРЕ_
Куликова Елена Юрьевна - доктор технических наук, профессор, Московский государственный горный университет, e-mail: [email protected].
UDC 69.035.4
RELIABILITY AND SAFETY OF URBAN SPACE DEVELOPMENT
Kulikova E.Yu., Doctor of Technical Sciences, Professor, Moscow State Mining University, e-mail: [email protected].
The article presents the basic postulates of methods for determining the potential danger of underground building with the normal operation of underground facilities and accidents
Key words: reliability, risk, underground structure, hazard, building, accident.
REFERENCES
1. Resin V.I. Gornyj vestnik, 1997, no 4.
2. Tevlin S.A. Kul'tura bezopasnosti na AJeS, uch. posobie dlja studentov (Atomic power station safety culture: higher education manual ), Moscow, MJel, 1996.
3. Telichenko V.I. Stroitel'nye materialy, oborudovanie i tehnologii XXI veka, no 1, January 1999, pp. 29.
4. Vaganov P.A. Jadernyj risk (Nuclear risk), Saint-Petersburg, 1997, 112 p.
5. Vetoshkin A.G. Izvestija Akademii promyshlennoj jekologii, 2004, no 1, pp. 20-25.
6. Kulikova E.Ju. Gornyj informacionno-analiticheskij bjulleten', 2002, no 1, pp. 49-52.
7. Kulikova E.Ju. Kriterii jekologicheskoj optimizacii gorodskogo podzemnogo stroitel'stva po pokaza-telju kachestva prinjatoj tehnologii. Sbornik nauchnyh trudov obshherossijskoj konferencii «Rezervy uskore-nija jekonomicheskogo rosta i udvoenija VVP RF» 12-13.IX.05 (Ecology optimization criteria for urban underground development by the accepted technique quality index, proceedings of All-Russian Conference on Potentiality of Swift Economic Advance and Gross National Product Doubling in Russian Federation), Moscow, OOO «Nedra kommjunikejshns LTD», 2005, pp. 68-73.
СТРУКТУРА РЕДАКЦИОННЫХ СОВЕТОВ ИЗДАТЕЛЬСТВА "ГОРНАЯ КНИГА" (проект для обсуждения) ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ
ГОРНОЕ ДЕЛО ЭНЕРГЕТИКА СТРОИТЕЛЬСТВО ГЕОЛОГИЯ, ЭКОЛОГИЯ ЭКОНОМИКА, МЕНЕДЖМЕНТ НЕФТЬ, ГАЗ МЕТАЛЛУРГИЯ
1. Открытые горные работы 2. Подземная добыча рудных и нерудных ископаемых 3. Обогащение полезных ископаемых 4. Маркшейдерия и геодезия 5. Взрывное дело 6. Машиностроение 7. Транспорт 8. Безопасность труда 9. Гидромеханизация 1. Атомная энергетика 2. Энергоснабжение 3. Электротехника 1. Подземное строительство 2. ПГС 3. Энергетическое строительство 1. Геология 2. Охрана окружающе( среды 3. Геофизика 1. Экономика 2. Управление 3. Аудит 1. Физика нефти и газа 2. Месторождения 3. Добыча и переработка 4. Машиностроение
КООРДИНАЦИЯ СОВЕТОВ
Е.В. Дмитриева Л.Х. Гитис Н.А. Голубцов
ГУМАНИТАРНЫЕ НАУКИ
1. Издательское дело
2. Иностранные языки
3. Публицистика
4. Литературное творчество
5. Словари
6. Мемориал
РЕГИОНАЛЬНЫЕ ПРЕДСТАВИТЕЛЬСТВА
1. Австралия
2. Дальний Восток
3. Забайкалье
4. Иркутская область
5. Карелия
6. Кузбасс
7. Монголия
8. Норильск
9. Тульская область
10. Урал
11. Якутия
12. Санкт-Петербург
