Актуальность работы. В настоящее время в крупнейших и крупных городах России отсутствует комплексный подход к подземному пространству как к обязательному элементу общегородской архитектурно-планировочной организации, в силу чего недооценивается значимость подземного строительства. Генеральные планы развития городов, включая сверхкрупные города, не содержат специальных разделов, посвященных освоению подземного пространства. Подавляющее большинство крупнейших городов и практически все крупные города не имеют научно-обоснованных программ
. комплексного подземного строительства, без чего невозможно упо-
Ч*
рядоченное и эффективное освоение подземного пространства.
Между тем выполнение в традиционной постановке полного объема исследований, необходимых для формирования комплексных программ освоения подземного пространства, требует значительных затрат времени и денежных средств. Существующая устойчивая тенденция к развитию городского подземного строительства связана с использованием современных инженерных решений и «высоких» горно-строительных технологий, внедрение которых без детального технико-экономического анализа, учитывающего геомеханические и технологические риски, может привести к весьма тяжелым последствиям вплоть до финансового краха и инвестора, и заказчика, и подрядчика. Поэтому формирование системных процедур
и методик, позволяющих оперативно установить приоритетные направления и объекты освоения подземного пространства в круп- нейших и крупных городах, разработка критериев и моделей обоснования эффективных объемно-планировочных и конструктивно-технологических решений с учетом риска является весьма актуальной проблемой.
Объектом исследований являются инженерные решения по освоению подземного пространства крупнейших и крупных городов.
Предмет исследований - методы обоснования инженерных решений по эффективному освоению подземного пространства.
Цель диссертации - разработка моделей, методик и процедур обоснования инженерных решений по эффективному освоению подземного пространства крупнейших и крупных городов на основе методов системного анализа и теории риска.
Основная идея работы заключается в определении приори-тетных направлений и проектов освоения подземного пространства крупнейших и крупных городов на основе методов системного анализа с разработкой моделей обоснования эффективных объемно-планировочных и конструктивно-технологических решений, учитывающих геомеханические и технологические риски в стадии строительства и эксплуатации.
В соответствии с поставленной целью основные задачи исследований заключаются в разработке и реализации:
1) процедур выявления приоритетных направлений, объектов и схем освоения подземного пространства крупнейших и крупных городов с получением количественных оценок приоритетности;
2) моделей обоснования эффективных объемно-планировочных и конструктивно-технологических решений городских подземных сооружений на основе теории риска.
Методы исследований. При выполнении работы применялся комплекс методов, включающий обобщение результатов ранее выполненных работ, системный анализ, вероятностно-статистические исследования, математическое и имитационное моделирование на ЭВМ.
Защищаемые научные положения.
1. Приоритетные направления освоения подземного пространства крупнейших и крупных городов следует устанавливать методами системного анализа, включающими структуризацию задач, экспертизу, анализ по ресурсным критериям и критериям условий реализации, системное обобщение оценок. Для г. Екатеринбурга с учетом основного планировочного каркаса - метрополитена - определены четыре приоритетных направления, в которых следует разрабатывать схемы размещения, объемно-планировочные и конструктивно-технологические решения подземных сооружений: комплексное освоение подземного пространства при строительстве метрополитена; инженерные коммуникации; транспортные сооружения; комплексная застройка жилых и административных районов с использованием подземных объектов. Количественные оценки, характеризующие приоритетность этих направлений, соответственно составляют 0,959, 0,915, 0,750, 0,625, превышая среднюю оценку приоритетности, равную 0,562.
2. Инвестиции в строительство подземных объектов следует оценивать с учетом нестабильности характеристик природной среды, качества мониторинга вмещающего грунтового массива и окру-
f? жающих строений, особенностей реализации строящихся объектов,
предусматривая сопоставление чистого дисконтированного дохода
или суммарных дисконтированных затрат с результатами, полученными при анализе страхования строительных и эксплуата- ционных рисков, устанавливаемых методом Монте-Карло с генерацией входных случайных параметров по универсальному закону распределения Грамма-Шарлье.
Достоверность защищаемых, выводов и рекомендаций подтверждается системным характером исследований, материалами технико-экономического анализа с использованием методов математической статистики, реализацией в градостроительных планах и проектах строительства подземных сооружений г. Екатеринбурга.
Научная новизна результатов исследований заключается в следующем:
- выполнен системный анализ приоритетности направлений и объектов освоения подземного пространства крупнейших и крупных городов, получены количественные оценки приоритетности в увязке природных особенностей с совокупностью социальных, экономических, архитектурно-планировочных, технических условий городской застройки;
- установлена целесообразность определения уровней рисков методом Монте-Карло с генерацией входных случайных аргументов имитационных моделей по универсальному закону распределения Грамма-Шарлье;
- разработаны принципы моделирования, критерии и модели для оптимизации технических решений по освоению подземного пространства, учитывающие уровни геомеханического и технологического рисков, продуктивность геомеханического контроля состоя- ния грунтового массива горных пород, особенности реализации
строящихся объектов, рациональные объемы страхования строительных и эксплуатационных рисков. у Практическая значимость работы состоит:
- в разработке процедур экспресс-методики составления программ освоения подземного пространства крупнейших и крупных городов и выбора схем размещения подземных объектов;
- создании и реализации машинно-ориентированных методик оценки уровней риска, вызванного нестабильностью физико-технических свойств массива;
- разработке методики формирования моделей для оценки эффективности инвестиций и выбора объемно-планировочных и конструктивно-технологических решений, оперирующих в условиях риска.
Внедрение результатов исследований.
Рекомендации диссертации использованы:
в разделе «Схема комплексного освоения подземного пространства» генерального плана «МО Город Екатеринбург до 2025 года»;
при формировании «Программы комплексного освоения подземного пространства г. Екатеринбурга до 2015 г.»;
в эскизных проектах подземных комплексов Екатеринбурга: «Площадь 1905 г.», «Площадь Малышева», «Центр», разработанных по заданию ОАО «Уралстройпроект».
Методики оценки геомеханических рисков и обоснования инвестиций в строительство городских подземных сооружений переданы ЕМУП «УЗПС МЕТРО» (Екатеринбургское муниципальное унитарное предприятие «Управление заказчика по строительству подзем--^ ных сооружений и метрополитена»).
10
Личный вклад автора диссертации заключается в сборе и ч обобщении материалов, постановке задач и формировании
} программы исследований, научном обосновании приоритетности
направлений освоения подземного пространства и схем размещения подземных объектов, организации и проведении экспертиз, выполнении технико-экономических исследований, разработке моделей выбора рациональных инженерных решений, формулировании научных положений, выводов и рекомендаций.
Апробация работы. Содержание и основные результаты исследований обсуждались:
на семинарах Уральского отделения Тоннельной ассоциации России (2004, 2005 гг., г. Екатеринбург);
семинаре «Гидроизоляция подземных сооружений» (январь 2005 г., Москва);
>, «Уральской горно-промышленной декаде» (апрель 2005 г., Ека-
теринбург);
Международной конференции «Геомеханика, механика подземных сооружений» (сентябрь 2005 г., г. Тула);
семинаре кафедры шахтного строительства Уральского государственного горного университета (январь, 2006 г.);
совещаниях при зам. главы администрации Екатеринбурга, в ГлавАПУ Екатеринбурга, ОАО «Уралгипротранс» (2004, 2005 гг).
Публикации. Содержание диссертации опубликовано в пяти печатных работах.
Структура и объем работы. Диссертация включает общую характеристику работы, три главы, заключение, библиографический указатель из 219 наименований. Объем диссертации - 185 страниц ком-А пьютерного текста (14 кегль, шрифт «Arial»), 54 таблицы, 18 рисунков.
11
{I 1. СОСТОЯНИЕ ИЗУЧЕННОСТИ ВОПРОСА
И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЙ
1.1. Состояние изученности вопроса
Активное подземное строительство во многих крупнейших и крупных городах мира, развернувшееся в последние годы, является закономерным этапом развития человеческого общества. По мнению акад. Е. И. Шемякина [210] освоение подземного пространства - путь решения проблемы выживания человечества и его потомков: «Поворот к этой мысли произойдет в ближайшие 20, 30 или 50 лет. Сделать это заставят энергетика, экономика, экология». Экс-президент Международной тоннельной ассоциации, главный испол-*}< нительный директор строительства тоннеля под Ла-Маншем
Дж. К. Лемли считает [90]: «Развивая «искусство возможного», максимально используя возможности технологии и человеческих ресурсов, наша профессия, быть может, представляет единственный шанс обустроить новый мир средствами подземного строительства».
Значительное число публикаций по различным вопросам подземного строительства, увеличивающееся с каждым годом в геометрической прогрессии, подтверждает актуальность проблемы освоения подземного пространства. Опубликованные материалы по рассматриваемой проблеме можно объединить в четыре группы:
1) исторические аспекты и описание практики освоения подземного пространства, в частности, [36, 43 -=- 45, 80, 98, 123, 127, 153, 165, 208];
12
2) стратегия и перспективные направления освоения подземного пространства [6, 20, 21, 75, 96, 104, 128, 135, 153, 210, 218];
> 3) градостроительные, архитектурные и технические решения
У
[35, 41, 44, 55, 86, 101, 102, 116, 117, 120, 126, 164, 2.15, 216];
4) инженерные изыскания, проектирование и социально-экономическая оценка эффективности освоения подземного пространства [7, 25, 26, 37, 40, 41, 48, 64, 66, 67, 83, 88, 99, 108, 110, 133, 140, 163, 168,217].
В соответствии с целью диссертации анализ научно-технической литературы выполнен в рамках второй, третей и четвертой групп опубликованных материалов по следующим тематическим направлениям:
1) нормативная база освоения подземного пространства крупнейших и крупных городов;
2) направления использования городского подземного про-<& стран ства;
3) номенклатура городских подземных сооружений;
4) классификация подземных объектов;
5) размещение подземных объектов;
6) объемно-планировочные решения;
7) конструктивно-технологические решения;
8) оценка изменчивости физико-технических свойств массива горных пород;
9) выбор решений в условиях изменчивости физико-технических свойств массива горных пород.
13
1.1.1. Нормативная база освоения подземного пространства крупнейших и крупных городов
Совокупность основных нормативных документов, составляющих современную нормативную базу освоения подземного пространства крупнейших и крупных городов, включает: отраслевые правила безопасности [56, 59, 142 -=- 144]; строительные нормы и правила [168 * 185, 188, 187]; руководства по составлению схем комплексного использования подземного пространства крупных и крупнейших городов [157], комплексному использованию подземного пространства при строительстве и реконструкции метрополитенов (проект) [154], проектированию оснований зданий и сооружений [155], проектированию подземных сооружений в сейсмических районах [156]; методические рекомендации по определению эффективности подземного строительства и оценке эффективности инвестиционных проектов [108, 110] и др. Анализ этих материалов позволяет охарактеризовать текущее положение в области нормативной документации следующим образом.
В первую очередь необходимо отметить отсутствие единого нормативного документа, регламентирующего проектирование, строительство и эксплуатацию любых видов городских подземных объектов.
Во-вторых, действующие отраслевые нормативы содержат противоречивые указания и «нестыковки» (достаточно сравнить разделы СНиП [169, 180, 181, 183] и свода правил [188], определяющие нагрузки на подземные сооружения). Необходимо «снять» ряд ограничений, идущих вразрез со сложившейся мировой и столичной практикой освоения подземного пространства, например, ограниче-ние этажности и вместимости подземных объектов.
14
В складывающейся рыночной экономике несомненной корректировки требуют материалы по оценке эффективности подземных ЧУ объектов и выбору объемно-планировочных и конструктивно-
г
технологических решений, в том числе, применительно к конкретным региональным условиям. Целесообразно рассмотреть возможность дополнительного обоснования либо замены отдельных количественных показателей, включая коэффициенты безопасности и остаточные водопритоки. Нуждаются в переработке устаревшие СНиП 11-94-80 «Подземные горные выработки» [183].
Таким образом, для радикального улучшения существующей нормативной базы необходима разработка специального вневедомственного документа, в котором должен нормироваться весь комплекс проблем освоения подземного пространства крупнейших и крупных городов. До появления такого документа целесообразно приступить к созданию территориальной нормативной базы проек-4* тирования и строительства подземных сооружений (ТСН). Послед-
няя должна включать, помимо технических нормативов, создание пакета муниципальных нормативно-правовых актов, регламентирующих разработку и согласование проектно-сметной документации, а также базу данных по условиям и объектам городского подземного строительства.
1.1.2. Направления использования городского подземного пространства
Основные направления использования городского подземного пространства крупнейших и крупных городов регламентируются существующими нормами и правилами проектирования новых и реконструкции существующих городских и сельских поселений [176].
15
В этом документе (см. п. 1.9) предусматривается: «обеспечить комплексное использование подземного пространства для взаимно-^: увязанного размещения в нем сооружений городского транспорта,
предприятий торговли, общественного питания и коммунально-бытового обслуживания, отдельных зрелищных и спортивных сооружений, подсобно-вспомогательных помещений административных, общественных и жилых зданий, объектов систем инженерного оборудования, производственных и коммунально-складских объектов различного назначения».
Возможность и целесообразность освоения подземного пространства в указанных направлениях подтверждается практикой зарубежного и отечественного городского строительства. В частности, в работе [210] указывается, что стоимость 1 м2 городской территории составляет 1000 $, в то время как затраты на выемку 1 м3 горных пород из недр под подземные объекты равны 100 $; в работе 4) [57] отмечается сопоставимость ущерба от перекладки канализаци-
онных коммуникаций в России с 2 % валового национального продукта. Канд. эконом, наук А. А. Сегетдинов [164] приводит конкретные данные, табл. 1.1, свидетельствующие об эффективности регламентируемых областей использования подземного пространства.
Ухудшение условий проживания в крупнейших и крупных городах в период с конца девяностых годов по настоящее время, вызванное прогрессирующей урбанизацией, обострением экологических и энергетических проблем, интенсивное развитие теории и практики подземного строительства послужили основанием для детализации направлений освоения городского подземного пространства и формирования новых перспективных направлений. В первую очередь следует отметить жилищное подземное строительство [74, 210] и сооружение подземных комплексов - метрополицентров [6,
16
192]. Перспективными самостоятельными направлениями можно считать строительство городских подземных энергетических объектов (в том числе ядерных [9, 55]), подземные водоочистные сооружения, подземные системы обезвреживания, удаления и утилизации твердых и жидких отходов [126], подземные укрытия [74, 80].
Таблица 1.1 Эффективность строительства подземных объектов [164]
Наименование объекта Единица измерения Капитальные вложения на единицу, тыс. р. Капитальные вложения с учетом экономии земли, тыс. р.
наземное исполнение подземное исполнение
Депо метрополитена вагоно-место 30,00 45,00 14,60
Депо трамвая » 8,00 12,00 4,40
Троллейбусные парки машино-место 10,00 15,00 9,30
Автовокзалы » 5,00 7,50 4,80
Парки для легковых автомобилей » 1,20-5-3,20 2,50^4,80 0,80-5-3,10
Районные котельные Гкал/ч 13,00 18.00 8,50
Мелкорозничная торговая сеть рабочее место 0,50 0,75 0,37
Склады 1,60 2,40 1,58
Приемные пункты, химчистки, прачечные рабочее место 2,80 4,20 2,60
Примечание. Данные в табл. 1.1 приведены в ценах 01.01.1984 г.
Анализ приведенных материалов в области формирования направлений освоения городского подземного пространства позволяет сделать следующее заключение.
1. В направлениях освоения подземного пространства, приведенных в табл. 1.2, сформировавшихся к настоящему времени, отражены все стороны жизнедеятельности, позволяющие
У
17
существенно повысить комфортность проживания людей в крупнейших и крупных городах.
Таблица 1.2
Направления освоения подземного пространства крупнейших и крупных городов
Номер направления Наименование направления Освоения подземного пространства
1 Комплексная застройка жилых и административных районов
2 Подземные транспортные сооружения
3 Комплексное освоение подземного пространства при строительстве метрополитена
4 Инженерные коммуникации
5 Объекты инженерной инфраструктуры
6 Сооружения производственно-хозяйственного назначения
7 Сооружения энергетического комплекса
8 Укрытия
2. Актуальность освоения подземного пространства крупнейших и крупных городов в сформированных направлениях подтверждается прогнозными и фактическими показателями, полученными многими исследователями, а также мировой и отечественной практикой градостроительства.
3. Уровень изученности тематики является достаточно высоким, рассмотренные направления освоения подземного пространства могут использоваться как база для выполнения дальнейших исследований.
1.1.3. Номенклатура и классификация подземных сооружений
Вопросы, связанные с изучением и разработкой номенклатуры городских подземных сооружений, рассмотрены в работах [7, 21, 36, |
