Геомониторинг в городском подземном строительстве

Е. Ю. Куликова, 2016

В учебном пособии изложены основные принципы организации геомонитринга при освоении городского подземного пространства. Приведены подходы к проведению оценки геомеханического состояния породного массива в районе подземного строительства, а также к прогнозу его изменения в процессе возведения подземного объекта и степени влияния на окружающую природную и техногенную среду. Показаны методы контроля изменения состояния окружающей среды в районе подземного строительства, направленные на своевременное выявление признаков предшествующих возникновению аварийных ситуаций, как при строительстве, так и при эксплуатации подземных сооружений в условиях плотной городской застройки. Книга допущена Учебно-методическим советом вузов РФ по образованию в области горного дела в качестве учебного пособия для студентов вузов.

Снижение и предотвращение экологической опасности при подземном строительстве базируется на учете всех уровней горно-строительного производства, начиная со стадии получения геологической информации, прогноза, моделирования, составления проекта строительства и заканчивая выбором эффективных мероприятий инженерной защиты окружающей среды при эксплуатации сооружения. Экологическая стратегия включает в себя также изучение динамики развития в пространстве и во времени искусственно сложившейся экосистемы «подземный объект — массив горных пород — окружающая среда», т. е. геомониторинг.

В пособии рассмотрены основные виды мониторинга при освоении подземного пространства городов.

Книга рассчитана на широкий круг читателей: проектировщиков, производственников, предпринимателей, работников научных и учебных учреждений, аспирантов, магистров и студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности «Шахтное и подземное строительство».

Допущено Учебно-методическим советом вузов Российской Федерации по образованию в области горного дела в качестве учебного пособия для студентов вузов, обучающихся по направлению подготовки «Горное дело», по специальности 130406 «Шахтное и подземное строительство» государственных образовательных стандартов высшего профессионального образования (ГОС ВПО) и специальности 130403 (21.05.04) «Горное дело» федеральных государственных образовательных стандартов высшего образования (ФГОС ВПО (ВО)).

Рецензенты:

доктор технических наук, профессор В.М. Смирнов

доктор технических наук, профессор Г.С. Франкевич

Введение

Наблюдение — метод вполне достаточный для изучения только более простых явлений. Наблюдение собирает то, что ему предлагает природа. Опыт же берету природы то, что он хочет.

П. Павлов

Нет большего врага прогнозов, чем самоуверенный оптимизм.

В. Тендряков

Никогда нельзя предсказывать будущее исходя из прошлого.

Э. Берк

Любое подземное сооружение оказывает воздействие на окружающую среду, вызывая в ней те или иные изменения, угрожающие здоровью и жизнедеятельности людей и вызывающие негативные преобразования экологической системы Земли в целом. Существующая в настоящее время практика природоохранной деятельности основывается на нормировании воздействий и прогнозе изменений в окружающей природной среде.

Социально-экономические и градостроительные перспективы все в большей степени определяются санитарно-гигиеническим состоянием окружающей среды, возможностью биосферы компенсировать неблагоприятное воздействие техногенных факторов, в том числе связанных с интенсифицирующимся производством.

Санитарно-гигиеническое состояние окружающей среды нормируется установлением предельно допустимых концентраций (ПДК) вредных веществ, ориентировочных безопасных уровней воздействия (ОБУВ), ориентировочных допустимых норм (ОДУ), предельно допустимого сброса вредных веществ в водный объем, санитарных правил и норм и т. п. Перечисленные нормативы открывают практические возможности для оценки санитарно-гигиенического состояния среды при строительстве и эксплуатации любого промышленного объекта и перспективы оптимизации техногенной деятельности.

Прогнозирование занимает важное место в практике подземного строительства и является конечной целью проведения всех видов полевых, лабораторных и камеральных изысканий.

Инженерно-геологические прогнозы при проектировании и строительстве подземных сооружений имеют ряд особенностей по сравнению с другими видами техногенного воздействия на природу. Эти особенности связаны главным образом с ограниченностью объемов изысканий и получаемой информации. В этих условиях к прогнозируемым параметрам относятся состав и свойства породы, гидрогеологические условия по трассе подземного объекта, возможности развития неблагоприятных геомеханических процессов (горное давление, пучение пород, прорывы воды, плывунов и газа, изменение температурных условий и др.).

Из-за сложности и взаимосвязанности процессов, развивающихся между подземными объектами и окружающей средой, не все они поддаются точным прогнозам: для большинства из них возможна лишь оценка качественных изменений.

Следующим этапом после прогноза является моделирование, т. е. воспроизведение процессов и явлений на основе законов подобия. В практике городского подземного строительства для прогнозирования применяют все виды моделирования: натурное, лабораторное, логическое, математическое, знаковое.

Натурные модели позволяют воспроизвести не только состояние подземного объекта и окружающей среды, но и изменившиеся под воздействием сложных динамических нестационарных условий ситуации.

Лабораторные модели позволяют раздельно изучить те факторы, которые в природной обстановке действуют совместно.

Обработка результатов массовых испытаний свойств грунтов приводит к созданию статистических моделей, одной из разновидностей логических моделей.

Инженерно-геологические знаковые модели позволяют представить обобщенное графическое изображение геологических и гидрогеологических условий и геомеханических процессов на участке конкретного подземного объекта.

Составление специализированных моделей основано на выделении слабого звена в системе «подземное сооружение — породный массив», т. е. на выявлении факторов, оказывающих решающее влияние на выбор технического решения. Для каждого конкретного подземного сооружения необходима своя, специфическая информация о строении массива, вмещающего это сооружение, о характере миграции подземных вод к объекту, о температурных и электромагнитных полях и т. п. Поэтому исходные модели анализируют применительно к конкретным задачам проектирования и формируют их в частные модели, на которых необходимые элементы массива горных пород и несущих конструкций подземного сооружения представлены в нужном виде и с достаточной детальностью.

На основании одной или нескольких частных моделей, с учетом индивидуальных особенностей геологического строения и конструкции сооружения, строят еще один вид специализированных моделей — расчетную модель, отражающую только те элементы, которые могут быть учтены проектировщиками в расчетных схемах. Последние представляют собой схематизированное изображение подземного сооружения с действующими на него нагрузками и силами в сочетании с характеристиками, определяемыми в расчетном сечении.

Моделирование как этап экологической стратегии позволяет посредством выбора наиболее рациональной технологии строительства и соответствующих мер инженерной защиты максимально снизить опасность появления необратимых изменений окружающей среды при освоении подземного пространства городов.

Этим же целям служит комплексная оценка воздействия на окружающую среду (ОВОС) при разработке и обосновании проекта строительства. Проект строительства при реализации оказывается «погруженным» в окружающую среду на конкретной территории, которая воспринимает техногенное воздействие от сооружаемого объекта. Некоторая часть этих воздействий подлежит нормированию и может быть ограничена определенными мерами инженерной защиты окружающей среды. Однако практика показывает, что порог ПДК, как правило, безнадежно превышен, особенно в давно освоенных регионах. Поэтому применения только нормативного подхода к решению экологических проблем недостаточно. Наряду с использованием уже накопленного опыта в виде пороговых величин некоторых видов воздействия необходимо выявлять и учитывать экологические последствия реализации любой проектируемой деятельности. При этом речь идет не только об изменениях параметров соответствия природной среды, но и о социальных, экономических и других изменениях.

ОВОС оценивает последствия во всех аспектах окружающей среды, задавая в каждом конкретном случае конкретные рамки исследования, определяемые кругом выявленных последствий.

Следующим этапом является инженерно-экологическая экспертиза, которая включает в себя оценку долговременного воздействия подземного объекта на природные ресурсы, природные условия, факторы развития народного хозяйства и условия жизни людей в районе освоения подземного пространства.

Таким образом, снижение и предотвращение экологической опасности при подземном строительстве базируется на учете всех уровней горно-строительного производства, начиная со стадии получения геологической информации, прогноза, моделирования, составления проекта строительства и заканчивая выбором эффективных мероприятий инженерной защиты окружающей среды при эксплуатации сооружения. Экологическая стратегия включает также в себя изучение динамики развития в пространстве и во времени искусственно сложившейся экосистемы «подземный объект — массив горных пород — окружающая среда», т. е. геомониторинг.

Необходимость усиления роли геомониторинга в подземном строительстве обусловлена следующим.

Масштабы технического воздействия человека на окружающую среду в результате освоения подземного пространства городов в ряде случаев достигают, а в некоторых случаях даже превышают уровни естественных процессов перемещения вещества и энергии в природной среде.

При этом реакция природной среды на техногенные воздействия по своим масштабам может существенно превышать масштабный уровень техногенных воздействий, что необходимо учитывать при наблюдении, прогнозе и управлении природно-технической геосистемой (ПТГС) «породный массив — подземное сооружение — окружающая среда».

При техногенном вмешательстве в природную среду в результате подземного строительства не должны превышаться некоторые «пределы прочности» среды. При этом природная среда предъявляет со своей стороны «технические условия» к техногенным воздействиям (по количественному уровню, по времени воздействия и др. показателям). При невыполнении этих условий подземные объекты и природно-технические геосистемы в целом могут выйти из устойчивого состояния, что может создать экологически кризисную ситуацию или потребуются меры по стабилизации — управлению устойчивостью ПТГС на основе научно обоснованных прогнозов.

В связи с этим важнейшей проблемой является процесс оптимизации взаимодействия человека и природы, который должен включать всесторонний анализ и прогноз состояния природной среды, ее изменений под влиянием горно-строительной деятельности, научно обоснованное и технологически совершенное использование природных ресурсов, активное регулирование природных и техногенных процессов для поддержания высокого качества окружающей среды, экологически обоснованного проектирования и функционирования ПТГС.

В целях решения этой проблемы с начала 70-х годов на различных иерархических уровнях от глобального (международного) до локального предпринимаются меры по созданию различных видов и систем мониторинга.