CC BY
24
© Е.Ю. Куликова, 2002
УДК 624:581
Е.Ю. Куликова
ОБОСНОВАНИЕ ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЙ СТРОИТЕЛЬСТВА КОММУНАЛЬНЫХ ТОННЕЛЕЙ C ПОЗИЦИЙ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
О
дним из видов аспектов обеспечения экологической безопасности коммунальных тоннелей является деление коммунальных объектов на группы:
I. по уровню надежности: экологической; надежности несущих и ограждающих конструкций; технологической;
II. по температурно-влажностным условиям внутри коммунального объекта.
Допустимые и оптимальные параметры микроклимата для тех типов коммунальных сооружений, где предусматривается проветривание, зависят от совокупного влияния соответствующих показателей вентиляционной струи воздуха в тоннеле и его тепло-влажностного взаимодействия с вмещающим массивом горных пород. Это, прежде всего, относится к влажности воздуха в тоннеле, величина которой определяется следующим соотношением:
Wa6c = Wa6c вс + Wa6c ”, (1)
где Wa6c - абсолютная влажность (масса водяного пара, находящегося в 1 м воздуха), г/м3; W^^ - абсолютная влажность поступающей в коммунальное сооружение вентиляционной струи, г/м3; W^c” - абсолютная влажность воздуха в коммунальном сооружении, являющаяся результатом испарения воды, просочившейся через несущие и ограждающие конструкции, г/м3.
Зная величину W^c можно найти количество влаги, поступившее через обделку тоннеля. При известных значениях внутреннего объема коммунального тоннеля V и площади обделки в свету Sa, с помощью уравнений (2)-(5) можно найти взаимосвязь между расходом влаги, просочившейся через 1 м2 обделки Q„ и долю относительной влажности воздуха, которая добавляется за счет испарения просочившейся через обделку воды:
V.Wa6cuI = SСв. Qв, (2)
WaбcUІ = П . WaбcU, г/м3.ч, (3)
где W^c11 определяется согласно (1.1) из соотношения:
Wa6c” = Wa6c - W^, г/м3.ч, (4)
где n - количество перемен воздуха в час, 1/ч.
Тогда, преобразуя (2) и принимая модуль поверхности равным M = Sct/V, получим:
W”1
Q=Wf. (5)
М
Из формулы (5) следует, что с ростом модуля поверхности уменьшается допустимое количество влаги, которое может профильтроваться в коммунальный тоннель через обделку. Учитывая, что больший модуль поверхности характерен для менее габаритных сооружений, можно сделать вывод о необходимости использования более плотного материала несущих конструкций (с меньшим коэффициентом фильтрации) при строительстве коммунального тоннеля меньшего сечения и протяженности. Следовательно, нормальные температурно-влажностные параметры в коммунальном тоннеле могут быть обеспечены за счет его герметизации - высокой водонепроницаемости несущих конструкций. В свою очередь, безотказность работы несущих конструкций обязательно предполагает их устойчивость, а также оптимальный характер взаимодействия с массивом окружающих горных пород. Таким образом, экологическая надежность находится в неразрывной связи с надежностью несущих конструкций городских подземных сооружений и с технологической надежностью.
Обеспечение экологической надежности коммунального объекта должно основываться на комплексе защитных мер, направленных на вовлечение в работу, как соответствующих свойств самого тоннеля, так и породного массива и технологических приемов его строительства, поддержания и эксплуатации. Таким образом, требования, предъявляемые к коммунальным тоннелям, сводятся к следующим:
1. ведение горно-строительных работ таким образом, чтобы исключался или сводился к минимуму ущерб, наносимый техногенным вмешательством в окружающую среду;
2. обеспечение наиболее рационального и безопасного функционирования городской среды;
3. обеспечение надежности работы коммунальных подземных объектов, которая подразумевает: достаточную устойчивость несущих и ограждающих конструкций; фильтрационную надежность; оптимальный характер взаимодействия коммунального тоннеля с массивом горных пород, обеспечивающий, с одной стороны, исключение развития дефектов в обделках и гидроизоляции сооружений и, с другой стороны, минимизацию поступления вредностей из коммунального тоннеля в окружающую среду; ограничение возникновения условий, ведущих к дисбалансу в искусственной экосистеме «породный массив - коммунальный объект».
Техногенные нагрузки, формирующиеся при строительстве коммунальных тоннелей, вызывают те или иные сдвиги в элементах окружающей среды, общий дисбаланс искусственной экосистемы. Поэтому важное научное значение приобретает задача оптимизации ограничений на применение технологий и способов строительства коммунальных тоннелей. Решение задачи может развиваться по двум направлениям:
1) определение области оптимизации качества подземного строительства по заданным критериям, например, по обосно-
ванию областей применения технологий и способов строительства или по критерию экологической надежности системы;
2) определение принципиальных условий создания экологически безопасного строительного комплекса по критериям качественно-количественной минимизации техногенных нагрузок на элементы природной экосистемы.
Экологическая оптимизация коммунального строительства по какому-либо показателю качества принятой технологии может быть реализована в виде:
а
(єПТГ )орґ
(
а
[еа ,еЬ ]
Л
V
а
У
(6)
где Ют - нормированное значение і-го параметра качества технологического процесса; [ае, Ье] - заданные экологические ограничения; аєПТТГ - интегральная оценка качества строительного комплекса с учетом комплексного показателя состояния искусственной экосистемы ептг «коммунальный тоннель - массив -технология - окружающая среда»; ю, - параметры качества принятой технологии.
В процессе формирования экосистемы «коммунальный тоннель - массив - технология - окружающая среда» (стадия строительства) неизбежны экологические потери, связанные с двумя обстоятельствами:
> непосредственным воздействием технологических процессов и производительных сил (горно-строительная техника, люди, обслуживающие объект, источники энергии и т.п.) на компоненты природы;
> необходимым использованием объектов природы в регионе подземного строительства (использование природных ресурсов в технологическом цикле).
Каждое из этих обстоятельств может быть выражено количественной мерой экологических потерь, суммарно определяющих экологическую обстановку на текущий момент строительства. Идеальный вариант выбора соответствующей технологии и организации строительного процесса соответствует минимальным экологическим потерям Dmin. При этом система «коммунальный тоннель - массив - технология - окружающая среда» в рассматриваемой ситуации будет обладать минимальным риском (максимальной экологической безопасностью). Ситуация с наибольшим экологическим риском, как правило, складывается к моменту окончания технологических процессов строительного комплекса и при отсутствии соответствующих мероприятий инженерной защиты искусственная экосистема будет иметь состояние, выражаемое как:
Sk^Q.c(tk)^■ЄllQ.)^Dm
(7)
где Sk - показатель техногенных изменений; 4 - время окончания строительства.
Экологический допуск на технологические ограничения с учетом требований непревышения техногенных нагрузок определяется следующими выражениями:
АЄптг = [ае, ] = \Юеь - Ю
(Аю, )й Фе; 1
(8)
При формировании технологических ограничений, необходимо учитывать какие из отрицательных эффектов оказывают-
ся на природную экосистему в результате применения той или иной технологии. Такими эффектами могут быть: геомеханиче-ские нарушения земной поверхности и породного массива; изменение режима подземных вод, истощение водоносных горизонтов; изменение системы переноса вещества, химического взаимодействия, растворение и разложение субъектов массива; изменение электрических полей в подземном пространстве, появление блуждающих токов; усиление биологической коррозии сооружений; заражение массива болезнетворными организмами; миграция загрязняющих веществ в окружающую среду; развитие суффозионных явлений, плывунов и псевдопывунов; оползневые явления и т.п.
Проектирование экологически безопасных коммунальных тоннелей предопределяет обеспечение устойчивости нормированных показателей Ае к предельным значениям техногенных свойств окружающей среды:
Ае = иэ-и,
(9)
где иЭ - уровень экологической защиты, иЭ = =иЭИ+иЭП; иЭИ -уровень защиты, обусловленный искусственными инженерными мерами; иЭТ - уровень защиты, обусловленный естественными возможностями самовосстановления объектов природы; иТ - уровень техногенного воздействия проектируемого коммунального объекта.
Одним из основных критериев экологической безопасности технологий и способов строительства коммунальных объектов является минимум возможных техногенных изменений в системе при применении данного способа или технологии. Критерий работает при следующих условиях:
> минимизация срока строительства коммунальных объектов. Это условие обеспечивает минимальные экономические потери, вызванные нестационарной составляющей строительного техногенеза енс:
тІП Єнс = МєПнс ^нс )тт;
(10)
> минимизация стационарной составляющей техногенного потока есс, обеспечиваемой минимальными экологическими нагрузками и техногенными воздействиями со стороны построенных коммунальных объектов. Данное условие достигается стабильностью технологии строительства и высоким нормативным качеством Кнорм сооружаемых коммунальных объектов:
ттВсс——ттО. с^)——тах Кнорм. (11)
Таким образом, выбор технологии строительства, обеспечивающей экологическую безопасность коммунального объекта должна осуществляться в рамках системы инженерноэкологического обеспечения подземного строительного комплекса, которая включает: экологически обоснованные требования к коммунальным подземным объектам; задачи оптимального проектирования с точки зрения экобезопасности; оптимизацию выбора технологии и способа строительства коммунального объекта; организацию экологически безопасных технологических процессов; количественную оценку текущих и долговременных последствий в районе размещения коммунального тоннеля; научный подход к выбору мероприятий инженерной защиты окружающей среды; задачи рационального природопользования. При этом на первый план ставится проблема опережения природоохранного обеспечения работы системы «коммунальный тоннель - массив - технология - окружающая среда». Если стратегия опережающего природоохранного обеспечения выбрана неправильно, без учета спектра природных и
технологических факторов и специфики коммунального подземного строительства, может возникнуть ситуация, характеризуемая экологическим риском:
Rзо=Pзо■ Узо, (12)
где Рзо - вероятность воздействия загрязненного природного объекта на население и территорию, объекты экологической безопасности; Узо - ожидаемый ущерб.
В результате осуществления комплекса мер по нейтрализации «угрозы» со стороны загрязненного природного объекта вероятность реализации угрозы и величина ожидаемого ущерба
должны быть снижены до значений Рзо*, Узо*. Для последующего обоснования комплекса мер по нейтрализации угроз со стороны загрязненного объекта целесообразно пользоваться величиной «ожидаемого предотвращенного риска»:
DR=(Рзо-Рзо*У(Узо- Узо*). (13)
Сопоставление указанной величины с предполагаемыми затратами на реализацию комплекса мер инженерной защиты позволит оценить эффективность предлагаемых мер.
Формирование опережающей природоохранной стратегии, таким образом, состоит в необходимости обеспечения двух требований:
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ ----------------------------------------
> выполнение работ и выработка конкретных решений по инженерной защите окружающей среды с временным опережением по формирующим стадиям технологического цикла. Это условие достигается за счет планирования инженерноэкологического и технологического циклов, четкой организации подземного строительства и тщательного подбора технологии для данных условий;
> обеспечение гарантированного природоохранного потенциала на каждой стадии работы системы «коммунальный тоннель - массив - технология - окружающая среда».
Система инженерно-экологического обеспечения нормального функционирования системы «коммуналь-ный тоннель -массив - технология - окружающая среда» должна иметь в своем составе такие способы и меры по обеспечению инженерной защиты окружающей среды, которые гарантировали бы максимум экологической безопасности при минимальных затратах природных ресурсов. При этом возникает задача экологической оптимизации освоения подземного пространства, решение которой может быть получено только при грамотном обосновании областей применения технологий и способов строительства коммунальных подземных сооружений.
Куликова Елена Юрьевна - доцент кафедры «Инженерная защита окружающей среды», докторант кафедры «Строительство подземных сооружений и шахт», Московский государственный горный университет.
