К вопросу управления состоянием объектов строительства

Аннотация

Целью настоящей статьи является обобщение, упорядочение и приведение в доступную широкому кругу читателей форму информации, позволяющей оценивать адекватность выбора мер инженерной защиты объектов строительства инженерно-геологическим условиям, в общем виде представлять риски сохранности объекта на последующих после проектирования стадиях жизненного цикла.

Введение

Для организации материала, обобщающего теоретические, методические и практические знания по существу темы, выбрано понятие «жизненный цикл объекта». Такой подход к рассмотрению информации позволит перейти к пониманию объекта строительства как природно-технической системы и далее к обоснованному управлению его состоянием.

Рассматривать опыт строительства объективно проще, когда речь идет о типовых объектах. Крупные инфраструктурные проекты отличает: уникальность, сложные инженерно-геологические условия, наличие участков с существенно различными инженерно-геологическими условиями (характерно для протяженных и (или) значительных по площади объектов), высокий уровень ответственности при эксплуатации объекта, высокая степень социальной и экономической значимости объекта и высокая стоимость проекта.

Правильная оценка и прогноз инженерно-геологических условий, выбор места строительства объекта влияют на объем и способы инженерной защиты от природных и техногенных опасностей. Уменьшение объемов инженерно-геологических изысканий нередко приводит к последующему удорожанию проекта вследствие недооценки опасностей развития инженерно-геологических процессов. В итоге календарный график значительно сдвигается, а стоимость строительства существенно возрастает. Для объектов, рассчитанных на длительный срок эксплуатации, могут возникнуть трудности при проведении плановых и капитальных ремонтов, что увеличит стоимость их жизненного цикла ввиду необходимости разработки специальных методов, технологий, оборудования для проведения ремонтных работ.

В результате инженерной и хозяйственной деятельности человека в приповерхностных горизонтах твердой оболочки Земли развиваются инженерно-геологические процессы (ИГП). Под их воздействием эволюция территории, в том числе грунтового массива, приобретает отличный от естественного развития характер. Надежность и безопасность сооружений зависит от возможности прогнозировать изменения в грунтах основания и своевременно осуществлять комплекс необходимых мер инженерной защиты.

Рассматривая в качестве субъектов инженерной защиты объекты строительства, целесообразно применять систему знаний о природно-технических системах (ПТС). Это позволяет обоснованно подбирать в каждом конкретном случае методы инженерной защиты, наиболее адекватные инженерно-геологическим условиям и типу объекта. Любой объект строительства по сути является природно-технической системой, в которой природные объекты и инженерные сооружения взаимодействуют друг с другом и с окружающей средой и работают как единое целое [3, 5, 9].

Эволюция инженерно-геологических условий

К любой природно-технической системе применимо понятие жизненного цикла объекта, который включает в себя пять стадий. Каждой стадии жизненного цикла объекта присущи свои особенности (рис. 1).

На стадии проектирования важно подобрать технологию, которая обеспечит устойчивость элементов ПТС в процессе строительства объекта. Нарушение технологии строительства часто приводит к активизации ИГП. Инженерно-геологическая информация является основой для обоснования проектных решений. В случае необходимости предусматриваются мероприятия по инженерной защите [2, 3, 4, 8].

На стадии строительства происходит нарушение динамического равновесия в грунтовом массиве в результате различных мероприятий. В природную систему вписывают инженерные сооружения. Начинает формироваться реальная природно-техническая система.

На начальном этапе эксплуатации объекта происходит взаимная адаптация инженерно-геологических условий и инженерных сооружений. Формируется реальная природно-техническая система.

В процессе ликвидации объекта природно-техническая система расформируется, относительно равновесное состояние системы нарушается, происходят изменения в компонентах инженерно-геологических условий и поиск нового равновесного состояния (рис. 2).

Мониторинг природно-технических систем

Чтобы отслеживать изменения в реальной природно-технической системе в целом и в грунтовом массиве в частности, на объектах внедряются системы мониторинга. В результате наблюдений уточняется режим ИГП и корректируется программа мониторинга. Для возможности оценки изменений в геологической среде информация должна быть получена до момента начала строительства объекта (характеризует естественный режим), в процессе проведения строительных работ (отслеживание изменений, сравнение с прогнозом и допустимыми проектом вариациями параметров, корректировка), на стадии эксплуатации (управление состоянием объекта).

Внедрение системы мониторинга на объекте позволяет частично решать задачу инженерно-геологического прогноза. Основные принципы организации мониторинга можно сформулировать следующим образом:

1. Принцип соответствия наблюдаемых параметров ожидаемым изменениям. Означает, что выбираемые методы ведения мониторинга состояния ПТС должны позволять фиксировать параметры, изменяющиеся в результате ее функционирования.
2. Принцип соответствия заданного режима мониторинга режиму геологических и инженерно-геологических процессов. Означает, что выбор режима опроса датчиков должен позволять регистрировать вариации параметров, характеризующих ПТС в интервалах изменяющихся нагрузок и воздействий.
3. Принцип равнопредставленности информации об объекте. Означает, что пространственное размещение пунктов наблюдения за параметрами должно учитывать характер изменения среды. Наблюдательная сеть должна быть более сгущенной вдоль направления изменчивости параметров и несколько разряжена в поперечном направлении. При этом количественная информация должна обеспечивать разработку математических моделей (перспектива создания постоянно действующих математических моделей) [1, 6].

Мониторинг объекта включает в себя диагностику, прогноз и выработку рекомендаций по управлению состоянием (рис. 3).

Масштабы инженерной и хозяйственной деятельности человека способствуют корректировке вектора эволюции инженерно-геологических условий. К примеру, человечество перерабатывает около 100 гигатонн сырья в год, примерно перемещая в процессе его добычи 1000 гигатонн породы. При добыче и переработке сырья используется до 1000 гигатонн воды и энергия мощностью до 10×1012 Вт. Деградация природных ландшафтов Земли достигла 60 %, а глубина рудников и нефтяных и газовых скважин 4 км и 6–7 км соответственно. Средний прирост количества землетрясений с магнитудами более 5 в целом для Земли составил 7 % в год [10].

Изменение морфологии поверхности, нарушение естественной динамики подземных вод и поверхностного стока – эти и другие факторы влияют на парагенезис (совместное нахождение), характер и режим инженерно-геологических процессов.

Для различных типов объектов строительства существует характерный набор инженерно-геологических процессов. Так, к примеру, уплотнение грунтов, изменение режимов влажности и температуры, напряженного состояния грунтового массива можно ожидать при строительстве наземных (не гидротехнических) сооружений. Гидротехнические сооружения, ГЭС, ГАЭС провоцируют изменения напряженного состояния (в том числе циклические, связанные с режимом работы гидроузлов), уплотнение грунтов, изменение гидродинамического режима подземных вод, фильтрации, развитие карста, суффозии, склоновых процессов, переработку берегов водохранилищ, подтопление и др. Следует отметить, что переменный уровень водохранилища непосредственно влияет на возможность и интенсивность развития процессов. Например, переработка берегов водохранилищ в России происходит с интенсивностью около 1,5 м в год, а общая протяженность разрушаемых берегов составляет более 23 км. Согласно имеющимся данным, 76 % всех аварийных ситуаций на ГЭС мира связаны с развитием природных и инженерно-геологических процессов и лишь 24 % – с дефектами инженерных конструкций и качеством строительства [5, 6, 10].

Открытые выработки (котлованы, карьеры, дорожные выемки) приводят к изменению напряженного состояния грунтового массива, разуплотнению, выветриванию, нарушению устойчивости откосов. При строительстве подземных сооружений и для горных выработок характерны изменения напряженного состояния, разуплотнение, сдвижение геологической среды над выработкой, изменения гидрогеологических и геохимических условий. Ярким примером образования провалов над рудными месторождениями является район Нижнего Тагила, где добыча ведется более 260 лет. На отдельных участках глубина провалов достигает 70–80 м [5, 10].

Водо-, газо-, нефтезаборы оказывают нагрузки и воздействия, приводящие к изменению напряженного состояния грунтового массива, разуплотнению, оседанию земной поверхности. Просадки земной поверхности фиксируются на всех крупнейших месторождениях углеводородов, достигая нескольких метров. Оседание земной поверхности приводит к негативным экологическим последствиям, включая снижение урожайности сельскохозяйственных культур (до 50 %), активное развитие инженерно-геологических процессов, уничтожение растительного и почвенного покрова [5, 10].

При мониторинге состояния объекта и прогнозе развития ИГП необходимо учитывать силу вибрационных воздействий от различных механизмов, режим процесса, закономерности распространения вибрационного поля вглубь грунтового массива, поскольку вибрации могут стать причиной развития инженерно-геологических процессов и привести к деформациям сооружений [6].

Возникновение блуждающих токов влияет на ресурс железобетонных конструкций, оболочек кабелей, трубопроводов, металлических обсадных колонн скважин; способствует химическому выветриванию.

Широко известны примеры наведенной сейсмичности в районах строительства водохранилищ, проведения горных работ, взрывных работ, откачки подземных вод, газо- и нефтедобычи. Например, с разработкой Ромашкинского нефтяного месторождения (Россия) в период 1986–1996 гг. было связано более 600 сейсмических событий [5, 10].

Устройство мелиоративных систем приводит к изменению гидродинамического и гидрохимического режима подземных вод, увлажнению, осушению, просадкам земной поверхности, нарушению устойчивости откосов, изменению химического состава почв, грунтов и грунтовых вод. Вследствие поливов и потерь из оросительной сети грунтовые воды получают дополнительное питание, что может приводить к подъему уровня грунтовых вод до критической глубины (около 2–3 м от земной поверхности) и началу процесса засоления почв [5, 6, 10].

Подбор адекватных методов инженерной защиты

На основании инженерно-геологической информации уже на первых стадиях жизненного цикла объекта закладываются в проект мероприятия по инженерной защите от опасных геологических и инженерно-геологических процессов. Подготовка основания сооружений во многих случаях сопровождается технической мелиорацией грунтов, предназначенной для улучшения их свойств (рис. 4).

Методы инженерной защиты подбираются в зависимости от наличия опасностей развития тех или иных геологических и инженерно-геологических процессов на территории.

Выветривание в грунтах развивается в результате процессов их взаимодействия с атмосферой, биосферой, гидросферой и техносферой. В качестве мер защиты применяют специальные непроницаемые для агентов выветривания покрытия, оставляют защитные целики, пропитывают грунты различными веществами. Используются также искусственная нейтрализация агентов выветривания, планировка территорий и отвод вод. Разрушаются не только грунтовые массивы в основании объектов строительства, но и сами сооружения (рис. 5, 6).

Для защиты от абразии, переработки берегов водохранилищ, русловой (рис. 7) и овражной эрозии, плоскостного смыва, селей применяют волнозащитные, волногасящие и пляжеудерживающие конструкции; осуществляют мероприятия по управлению стоком рек, отклонению оси потока, закреплению склонов.

К методам технической мелиорации грунтов прибегают для защиты от суффозионных процессов и плывунов. Целью проводимых мероприятий является снижение водопроницаемости грунтового массива, напоров, дренирование грунтовых вод. В основаниях плотин устраивают противофильтрационные завесы. С учетом особенностей производят осушение плывунных грунтов, ограждение и (или) закрепление плывунов.

Риски таких процессов, как карст, заболачивание, просадочность лёссовых грунтов, минимизируются путем организации поверхностного стока, дренирования подземных вод, технической мелиорации грунтов (тампонирование карстовых полостей, осушение, замораживание, создание насыпей под сооружения, свайных оснований). Кроме того, как способ инженерной защиты применяются водозащитные мероприятия (защита от замачивания).

Процессы, связанные с действием гравитационных сил (оползневой процесс, обвалы и осыпи), достаточно распространены. В качестве мер инженерной защиты используют удерживающие и улавливающие сооружения (рис. 8), переформируют рельеф, организуют водосток, применяют методы технической мелиорации грунтов, а также агролесомелиорацию.

Для снижения воздействия процессов эоловой денудации (разрушения) грунтов и аккумуляции (накопления) обломочного материала обращаются к фитомелиорации сельскохозяйственных угодий, создают системы механической защиты, лесозащитные полосы, закрепляют поверхности грунтов и почв геосинтетическими материалами и вяжущими составами.

Методами защиты от горных ударов являются: устранение или минимизация концентрации напряжений в районах проведения горных работ, повышение пластических свойств грунтов, управление процессами деформирования и разрушения грунтов и др.

Защита объектов от разрушающего воздействия землетрясений заключается в тщательном выборе площадки строительства, технической мелиорации грунтов и подборе конструктивных решений.

Особую роль в развитии инженерно-геологических процессов в условиях городской застройки играет изменение структуры поверхностного и подземного стока. В результате чего происходит нарушение баланса влажности в грунтовом массиве, провоцирующее стремительное развитие ИГП, например морозного пучения, выветривания и др. (рис. 9) [7].

Поскольку прогноз парагенезисов инженерно-геологических процессов носит вероятностный характер, то начиная со стадии строительства объекта, благодаря данным мониторинга, функционирование природно-технической системы в заданных проектом границах может быть скорректировано.

Конечной целью мониторинга является обоснование и разработка методов управления состоянием природно-технической системы. Управление ПТС заключается в обосновании, разработке и реализации компенсационных мероприятий, поддерживающих ее устойчивость при обеспечении выполнения объектом заданных проектом функций.

Заключение

Успешный выбор метода (комплекса методов) инженерной защиты объекта строительства от опасных геологических и инженерно-геологических процессов зависит от правильности выявления в грунтовом массиве областей с неустойчивой структурой, прогноза наличия причин для развития этих процессов. Обеспечение устойчивости грунтового основания и защита природно-технической системы от дестабилизации является одним из главных условий штатного функционирования объекта строительства и выполнения им функций, предусмотренных проектом.

Управление жизненным циклом объекта, опираясь на теорию природно-технических систем, позволяет обоснованно оценивать и прогнозировать состояние объекта строительства, риски наступления событий, связанных с опасными геологическими и инженерно-геологическими процессами, своевременно обеспечивать инженерную защиту территорий, зданий и сооружений. Все вышеперечисленное в итоге способствует эффективному управлению стоимостью жизненного цикла объекта, обеспечивая при этом надежность и безопасность его эксплуатации.

Литература

1. Бондарик Г.К. Основы теории изменчивости инженерно-геологических свойств горных пород. М.: Недра, 1971.
2. Воронкевич С.Д. Основы технической мелиорации грунтов. М.: Научный мир, 2005. 504 с.
3. Инженерная геодинамика: Учебник / Г.К. Бондарик, В.В. Пендин, Л.А. Ярг. 2-е изд. М.: КДУ, 2009. 456 с.
4. Инженерная защита территорий и сооружений: Учебное пособие / В.А. Королёв. М.: ИД КДУ, 2013. 470 с.
5. Инженерно-геологические изыскания: Учебник / Г.К. Бондарик, Л.А. Ярг. 3-е изд. М.: КДУ, 2011. 420 с.
6. Осика И.В. Разработка инженерно-геодинамической концепции организации мониторинга ГЭС и ГАЭС // Сб.: Пятое Всероссийское совещание гидроэнергетиков. Сильной России – мощную обновленную энергетику. М.: РА Ильф, 2013. С. 244–252.
7. Пашкин Е.М. Инженерная геология (для реставраторов): Учебное пособие. М.: Архитектура-С, 2005. 264 с.
8. СНиП 22-02-2003. Инженерная защита территорий, зданий и сооружений от опасных геологических процессов. Основные положения. М.: ФГУП ЦПП, 2004.
9. Терминологический словарь-справочник по инженерной геологии / Сост. Е.М. Пашкин, А.А. Каган, Н.Ф. Кривоногова, под ред. Е.М. Пашкина. М.: КДУ, 2011. 952 с.
10. Экологическая геодинамика: Учебник / В.Т. Трофимов, М.А. Харькина, И.Ю. Григорьева. Под ред. проф. В.Т. Трофимова. М.: КДУ, 2008. 473 с.

Ирина Осика

Связаться Ирина Осика

Ведущий научный сотрудник
Всероссийского научно-исследовательского института гидротехники имени Б. Е. Веденеева