Графо-аналитическая модель формирования вариантов сооружения коммуникационных тоннелей

Освоение подземных пространств мегаполисов является важнейшим условием их эффективного функционирования и развития. При этом в современных условиях этот процесс приобретает высокую социальную значимость и носит комплексный характер. Создание объектов подземной инфраструктуры решает множество проблем развития крупных городов. В современных мегаполисах, в том числе в Москве, особую актуальность приобретает создание долговечных, экологически безопасных сетей городских коммуникационных сооружений, являющихся артериями первостепенной значимости в жизнеобеспечении города [2].

При использовании подземного пространства возникают специфические факторы, осложняющие этот процесс. К ним можно отнести:  рост интенсивности освоения подземного пространства, сложность геологических условий в г. Москва, сложность гидрогеологических условий, аварийность при возведении подземных сооружений, высокие требования к надежности сооружения на стадии его эксплуатации [3, 4].

В настоящее время существуют различные способы и технологии сооружения коммуникационных тоннелей. Решение о выборе способа строительства в конкретных условиях зависит от различных внешних и внутренних факторов, воздействующих на подземный объект. Экономический результат сооружения тоннелей определяется вероятностным сочетанием совокупности природных, техникотехнологических, организационных и экономических факторов. Выбор экономически возможных альтернативных вариантов строительства системы коммуникационных тоннелей может быть произведен на основе предложенной процедуры, которая позволяет оценивать влияние указанных факторов на способы и технологии сооружения этих подземных объектов [7].

Горно-геологические условия строительства имеют важное значение при выборе технологий проведения горных выработок и характеризуются крепостью пород, влияющей на способ сооружения коммуникационных тоннелей. При крепости пород в диапазоне f = 0,5-3,0 по шкале профессора М.М.    Протодьяконова (породы    неустойчивые, слабоустойчивые и среднеустойчивые) применяются траншейный способ при небольших глубинах и подземный способ с использованием щитовых комплексов с механизированным исполнительным органом (с пригрузом и без пригруза). Грунты Москвы и Подмосковья в геологическом отношении можно разделить на три структурных этажа.

Первый этаж (15 - 30 м) характеризуется отложениями кайнозоя, залегающими в виде пластов глин, водоносных известняков, обводненных песков, мергелей, обводненных мергелей с коэффициентом крепости пород по профессору М. М. Протодьяконову f= 0,3-1,0.

Второй этаж (30 - 50 м) включает отложения юрского возраста, характеризуется относительно выдержанным залеганием пород и состоит из мягкопластичных глин и тугопластичных суглинков с галькой и щебнем, коэффициент крепости от f=1,0-2,0.

Третий этаж (50 - 70 м) характеризуется отложениями каменноугольного периода, содержит доломиты, мергели, коэффициент крепости от f = 1,3 дол 6,0 и выше.

Учитывая, что на ближайшую перспективу намечается строительство коллекторов глубокого заложения, с аккумуляцией всех фикальных и отработанных вод с передачей их на станции аэрации, их глубины заложения будут в пределах 120 м и выше. При такой глубине заложения крепость пород составит свыше f = 6,0 по шкале профессора М. М. Протодьяконова, что при существующей технологии потребует применения буро-взрывного способа проходки.

Гидрогеологические факторы также оказывают существенное влияние на применяемые способы строительства. Гидрогеологические условия массива горных пород Центральной части России характеризуются значительными притоками воды, колебания которых составляют от 2,0 до 20 м3/час и выше, большими водопритоками и наличием песков, образующих естественные плывуны. Опыт горно-строительных работ показывает, что при притоках воды свыше 8 м3/час требуется применение специальных способов строительства.

В табл. 1 приведены наиболее характерные горно-геологические и гидрогеологические условия залегания пород на территории г. Москвы и применяемые способы строительства [3].

Таблица 1

№	Литологический рисунок на забое выработки	Характер обводненности или ее отсутствие	Способ проведения выработки
1	Четвертичные пески, супеси на глинистых породах юрского возраста (волжский ярус)	Раздельно-зернистые породы обводнены, глинистые пластичные при естественной влажности	Спецспособы
2	Глинистые породы юрского возраста (волжский ярус)	Консистенция пластичная при естественной влажности	Спецспособы
3	То же	Консистенция тугопластичная	Обычный горный способ, условия сложные

Продолжение табл. 1.

4	Глинистые породы юрского возраста( ) на твердых карбонатных разного состава	Глинистые породы тугопластичные, карбонатные содержат напорные и безнапорные воды	Обычный горный способ с водоотливом
5	Переслаивание известняков, доломитов, мергелей и глин карбонового возраста	Обводнено напорными и безнапорными водами	Обычный горный способ с водоотливом
6	То же	Не обводнено	Обычный горный способ без водоотлива
7	Известняки, доломиты, мергели на глинах юрского и карбонового возраста	Карбонатные отложения, обводнены, глинистые пластичные	Обычный горный способ с водоотливом, условия сложные
8	То же	Не обводнено	Обычный горный способ без водоотлива
9	Глинистые породы юрского и карбонового возраста, мергели	Твердые	Обычный горный способ

На основании горно-геологических и гидрогеологических условий по трассе строительства принимаются способы проходки (специальный способ, обычный способ, комбинированный способ). Рассматриваются возможные альтернативные варианты специальных способов, которые оцениваются экономически на последующих этапах расчета.

На следующем этапе необходимо учитывать наличие существующих зданий и сооружений, препятствующих строительству. Глубина заложения нулевого цикла этих зданий колеблется от 1,6 м (глубина промерзания грунтов) до 50 м и выше. Рассмотрены наиболее характерные препятствия. Зс – здания с малой этажностью (1,6 – 1,8 метров); Зв – высотные здания и сооружения, глубина нулевого цикла до 20 метров; К – старые коллекторы (5 – 20 метров); ж/д – железно-дорожное полотно, где глубина заложения коллектора должна быть не менее 20 метров, с применением крепи, обеспечивающей снижение негативных просадочных явлений; М – трасса метро; В – возможные валуны, которые, как правило, залегают на глубине до 10 метров.

Следующим шагом является определение ожидаемого уровня затрат по переноске коммуникаций на трассе тоннелей. Определяются сопряженные затраты на переноску существующих коммуникаций и на основании определения величины этих затрат принимается решение об экономической целесообразности сооружения тоннеля открытым или закрытым способом.

При определении глубины заложения коммуникационных тоннелей производится выбор открытого и закрытого способа строительства. В условиях определенной глубины заложения, решение о выборе сооружения коммуникационных тоннелей открытым или закрытым способом должно основываться на определении условия рационального перехода с открытого способа на закрытый. Стоимости коллекторов, сооружаемых открытым и закрытым способами, могут быть равнозначными. Условие равнозначности можно выразить в виде неравенства:

З .+ЗЗ+ п отк 1     эк 1  (  ), где Зотк и З – затраты на возведение коллектора соответственно открытым и подземным способом, руб./п. м;

З и З^п – затраты, не зависящие от глубины заложения коллектора, руб./п.м.

Прямые затраты на сооружение коммуникационных тоннелей открытым способом можно оценить из выражения:

ЗЗ З+З+ Зпй. (2), отк     вг вк пк об.с      , где З – стоимость выемки грунта, руб.;

З _вк – затраты на временную крепь, руб.;

З _пк – затраты на постоянную крепь, руб.;

З – затраты на обратную засыпку коммуникационного тоннеля.

Выбор варианта глубины заложения коммуникационных тоннелей будет зависеть от места нахождения их строительства (новые площадки либо в освоенном районе) и должен быть оценен по вышеприведенной зависимости (1).

На основании приведенных исследований принимаются возможные способы сооружения тоннелей (открытый, подземный способ и способы, применяемые в сложных гидрогеологических условиях).

Затем выбираются возможные технологии строительства в соответствии с принятым способом сооружения тоннеля.

Разработанная модель позволяет, в зависимости от изменяющихся факторов и существующих способов и технологий строительства, сформировать более 23 тыс. возможных вариантов сооружения коммуникационных тоннелей. Фильтрация этих вариантов должна производиться на основе ограничений: величина фактических затрат на сооружение тоннелей (Зф) не должна превышать величину затрат, установленную заказчиком (Зд); срок сооружения тоннелей (Тф) не должен превышать срока сдачи объекта заказчику (Тд).   Оставшиеся альтернативные варианты сооружения городских коммуникационных тоннелей должны оцениваться по экономическим показателям.

I

II

III

IV

V

VI

VII

ГОРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ

ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ

СПОСОБЫ СТРОИТЕЛЬСТВА

НАЛИЧИЕ ЗДАНИЙ, СООРУЖЕНИЙ И ЕСТЕСТВЕННЫХ

ПРЕПЯТСТВИЙ НА ТРАССЕ ТОННЕЛЕЙ

ОЖИДАЕМЫЙ УРОВЕНЬ ЗАТРАТ ПО ПЕРЕНОСКЕ

КОММУНИКАЦИЙ НА ТРАССЕ ТОННЕЛЕЙ

ГЛУБИНА ЗАЛОЖЕНИЯ ТОННЕЛЕЙ

СПОСОБЫ СООРУЖЕНИЯ ТОННЕЛЕЙ

ТРАНШЕЙНЫЙ СПОСОБ

VIII

1. ОТКРЫТЫЕ КОТЛОВАНЫ

/             \ 2. С ПРИМЕНЕНИЕМ ОГРАЖДАЮЩИХ КОНСТРУКЦИ

3. С ПРИМЕНЕНИЕМ ПЕРЕДВИ ЖНОЙ КРЕПИ к__

4. ВОДООСУ-ШЕНИЕ

5. ПОД СЖАТЫМ ВОЗДУХОМ

/           \ 6. ЦЕМЕНТАЦИЯ

/           \ 7. ЗАМОРАЖИВАНИЕ ГРУНТОВ

8. БУРОВЗРЫВНОЙ

9. КОМБИНИРОВАН-НЫЙ

10. ЩИТОВАЯ ТЕХНОЛОГИЯ

11. МИКРОЩИТОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

12. БЕСТРАНШЕЙНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ

IX

X

Рис. 1. Графоаналитическая модель формирования вариантов сооружения коммуникационных тоннелей.