Научное обеспечение проектирования и строительства

Подземных сооружений

Естественные науки изучают и формулируют законы природы и разрабатывают методы их применения.

В группе естественных наук выделяют технические науки. В этот цикл входят горные науки, в том числе геомеханика и строительная геотехнология, обеспечивающие проектирование и строительство подземных сооружений. Важную роль в научных изысканиях играют поисковые исследования, требующие нестандартных подходов к проблеме, воображения, интуиции и знания общих законов природы и общества. Горные науки тесно взаимодействуют с фундаментальными: физикой, математикой, химией, механикой, геологией, гидравликой и др.

В результате такого взаимодействия возникают наиболее удачные инженерные решения конструктивного, технологического и организационного характера, успешно реализуемые в проектах подземных и других сооружений, нормативных документах, правилах безопасности.

Важную роль играет изобретательская и рационализаторская деятельность.

Основной единицей научной организации является лаборатория, представляющая собой коллектив сотрудников, выполняющих научные исследования определенного направления в специально оборудованном помещении. В составе лаборатории могут быть организованы секторы.

Лаборатории в составе научно-исследовательской организации объединяются в отделы или отделения. Многие научно-иссле­довательские организации имеют комплексный характер, включая в свой состав проектно-конструкторское подразделение и экспериментальное производство.

В области строительства гидротехнических подземных сооружений научные исследования выполняет «Оргэнергострой» (Москва). Исследования в области создания горно-проходческой техники осуществляет ЦНИИподземмаш (Москва). Крупными научно-иссле­довательскими организациями являются: в области транспортного строительства ЦНИИС (Москва), в области строительства подземных сооружений НИИОСП (Москва), в области шахтного строительства КузНИИшахтострой (Кемерово).

Открытие и применение атомной энергии, развитие автоматизации, создание ЭВМ, успехи химии, бурное развитие электроники и высоких технологий привели к научно-технической революции, сопровождающейся резким ускорением научно-технического развития человеческого общества. Это, в свою очередь, требует повышения роли научных работ вообще, в том числе в области проектирования и строительства подземных сооружений. Тесная взаимосвязь исследовательских организаций с промышленными и строительными предприятиями выражается, например, в создании строительных научно-производственных объединений (НПО) или в форме научного сопровождения проектных и строительных работ. Это способствует оперативному решению научных и прикладных задач, связанных с проектированием и строительством сложных объектов, повышению качества работ, накоплению ценнейшей информации для дальнейшего использования.

Наиболее полное раскрытие общих закономерностей, процессов и явлений обеспечивает диалектический метод.

При исследованиях в области геомеханики и строительной геотехнологии широко применяют комплекс методов: наблюдение, опыт, классификацию, анализ, синтез, аналогию и др.

Научно поставленное наблюдение строится по плану, ведется систематически и имеет строго определенную задачу. В геомеханике, например, широко используют наблюдения за проявлениями горного давления инструментальными или визуальными методами. В строительной геотехнологии обширные наблюдения ведут для выявления зависимости темпов проведения выработок от основных влияющих факторов природного, технического и организационного характера.

Термин опыт имеет несколько значений: в философии – это совокупность взаимоотношений между человеком и объективным миром; в естественных науках – четко поставленный эксперимент и даже простое наблюдение; в технике – сумма накопленных знаний, навыков, умений. Опыт разного рода при проектировании играет весьма важную роль и высоко ценится.

Анализ – это метод исследования, состоящий в расчленении целого на составные элементы, например, с целью выявления роли каждого из влияющих факторов на несущую способность конструкции; взаимодействие крепи и массива пород; скорость проходки и крепления выработок и т.п.

Синтез – соединение отдельных элементов в единое целое. Он направлен на исследование предмета в его единстве и взаимной связи частей.

Анализ и синтез составляют диалектическое единство. Например, синтез технологической схемы проведения горной выработки осуществляется на основе анализа данных о затратах времени, труда, энергии, материалов, необходимых для выполнения отдельных проходческих операций.

В процессе анализа и синтеза используют логику, которая формулирует законы и правила, выражающие отношения и связи между формами мысли. Познать процессы и явления – значит найти законы их развития и уметь использовать их в интересах исследователя. Известны четыре закона логики, использование которых обеспечивает получение исследователем верного вывода.

Закон тождества требует сохранения в процессе умозаключений одного и того же содержания каждого понятия. Нельзя произвольно менять содержание и объем понятий.

Закон противоречия гласит, что два противоположных суждения об одном предмете не могут быть оба истинными одновременно в одном и том же отношении. Доказав истинность одного положения, исследователь не может в последующих рассуждениях исходить из противоположного.

Закон исключенного третьего утверждает, что два противоречащих суждения не могут быть оба ложными, одно из них истинно, третьего не дано. Отвергая одно из противоречащих суждений, исследователь должен принимать другое. Закон исключенного третьего имеет существенное значение в косвенных доказательствах («от противного»).

Согласно закону достаточного основания всякая мысль признается истинной, когда имеет достаточное основание. Им может служить положение, истинность которого установлена.

Применяя законы и правила логики, исследователь достигает известной определенности, последовательности и доказательности.

Метод аналогии основан на сходстве многих процессов и явлений, протекающих в природе, человеческом обществе, технических системах и т.д. Он успешно используется при проектировании конструкций, сооружений, машин, строительных технологий и т.п., функционирующих в аналогичных условиях.

Если, например, бетонная крепь успешно функционировала в какой-либо выработке, то такая же крепь с определенной вероятностью будет успешно работать в другой выработке при аналогичных условиях.

Метод аналогий широко реализуется в строительстве при использовании типовых проектов путем их привязки к конкретным условиям очередного объекта, при различных видах моделирования геомеханических процессов и в других случаях. Метод позволяет быстро и продуктивно решать разнообразные инженерные задачи при малых затратах средств и труда. Тем не менее, не всегда удается сделать вероятностную оценку возможного результата. Для этого необходимо создавать представительные банки данных по успешно действующим объектам с указанием условий их функционирования.

В процессе проектирования воображение и догадка играют важную роль, так как позволяютсоздавать в мозгу образы новых конструкций, материалов, процессов, технологических схем и т.п. Воображение исходит из способности к абстрактному мышлению. Благодаря умению синтезировать, соединять элементы, почерпнутые из действительности, мышление может выйти за пределы того, что существует в данный момент; предвосхитить будущее, создавать новые конструкции, технологии, формы организации строительства и т.п.

Немалая фантазия потребовалась, например, при создании анкерной крепи, работа которой скрыта от глаз, но способна обеспечивать высокую степень устойчивости горных выработок за счет скрепления различно деформируемых зон, слоев и блоков в приконтурной части массива пород.

При недостаточности доказательной информации большое значение имеет догадка – первоначальное предположение.

При ее возникновении важную роль играет интуиция, которая формируется на основе ранее приобретенного опыта, навыков, знаний.

Однако познание, основанное на интуиции, должно быть подкреплено логическими доказательствами и проверено опытом, экспериментом.

Классификацией называют логическую операцию, состоящую в разделении всего изучаемого множества предметов по обнаруженным сходствам и различиям (признакам) на отдельные группы – классы (см. раздел 1.2).

При сложных системах в каждом классе могут быть выделены подчиненные признаки, по которым выделяют подклассы (см. раздел 1.2). Основанием для деления должны быть признаки существенно определяющие.

Научные классификации играют важную роль в анализе сложных систем, осмыслении взаимозависимости их элементов, выборе эффективных инженерных решений при проектировании.

Экспериментальный метод исследования широко применяется в горном деле и подземном строительстве в связи с многообразием подземных сооружений (см. раздел 1.2), способов их строительства, горно-геологических и гидрогеологических условий, влиянием тектонических процессов и многих других факторов. При таких обстоятельствах чисто теоретические исследования, играющие безусловно важную роль, не всегда способны дать ответ на интересующие проектировщиков вопросы.

Экспериментом называют научно поставленный опыт или наблюдение в натурных или лабораторных условиях, при которых строго фиксируется влияющие факторы и, по возможности, выявляется роль (весомость) каждого из них на основании количественной и качественной информации, полученной с помощью визуальных и инструментальных наблюдений и тщательной их обработки. Результаты представляют в виде графиков, таблиц, эмпирических формул, гипотез и даже теорий.

Производственно-экспериментальный метод (ПЭМ) ценен тем, что выполняется в естественных условиях и дает наиболее достоверную информацию. Однако полученные результаты, строго говоря, справедливы только для данного объекта при конкретных условиях проведения эксперимента. При больших объемах информации такого рода в разнообразных условиях могут быть выявлены надежные закономерности явлений и процессов. Это может служить основой для разработки новых научных теорий или обоснования и подтверждения ранее высказанных гипотез, а также для создания нормативных документов, инструкций и руководств для проектирования и производства (например, строительных норм и правил (СНиП)).

ПЭМ используют при изучении горно-геологических и гидрогеологических условий проектирования и строительства объекта, свойств и состояний массива пород в окрестности выработки (прочностно-деформационных характеристик, напряжений и смещений, структурных параметров и пр.), зависимости технических и экономических показателей технологии строительства от изменения ее параметров, конструкций сооружения, комплексов оборудования, организации работ, технологических схем и т.п.

Достоверность и надежность информации при ПЭМ в решающей мере зависит от принятой методики исследований; типа, качества и количества приборов для их проведения, способа и быстроты обработки информации. Неблагоприятные условия натурных экспериментов требуют создания и применения аппаратуры повышенной надежности и долговечности, а следовательно, и стоимости. Количество наблюдательных станций и замерных пунктов должно быть достаточным для статистической обработки получаемых данных (обычно, не меньше 10).

В связи с высокой стоимостью и несомненной важностью ПЭМ в получении информации для проектирования и строительства сложных и дорогостоящих подземных и других сооружений в сметы по ним закладывают достаточные средства для проведения таких исследований и приобретения аппаратуры.

Одним из существенных недостатков ПЭМ является невозможность или малая возможность изменения количественных значений факторов, влияющих на изучаемый объект или процесс (невозможно изменить физико-механические свойства массива пород, сложно изменить его напряженное состояние, размеры выработок и т.п.)

Указанный недостаток может быть частично компенсирован при проведении исследований в лабораторных условиях.

Лабораторно-экспериментальный метод (ЛЭМ) ценен тем, что позволяет проводить массовые исследования с регулируемым количественным и качественным изменением факторов, влияющих на изучаемые объект, процесс или явление. Исследованиям подвергают образцы горных пород, материалов, машин, механизмов, измерительной аппаратуры; элементы и узлы строительных конструкций и крепей. На лабораторных моделях исследуют геомеханические проблемы взаимодействия массивов пород и крепей, смещения в массиве пород и поверхности земли при горных работах и эксплуатации сооружений.

ЛЭМ незаменим для научных целей и весьма важен для получения исходной информации к проектированию подземных и других сооружений. Особую ценность в этом плане представляют методы физического и математического моделирования.

Моделирование предполагает замену реального объекта его моделью при определенном, обычно безразмерном, соотношении их характеристик, которое устанавливают методами теории подобия. Различают подобие полное и неполное.

При полном подобии учитывается все многообразие параметров и переменных натурного объекта и модели.

При неполном подобии принимают во внимание часть параметров и переменных, отражающих в наибольшей мере интересующие исследователя стороны процесса, явления или состояния.

Соблюдение полного подобия моделируемых объектов чрезвычайно сложно, трудоемко и затратно. Поэтому при решении подавляющего числа научных и инженерных задач используют моделирование с неполным подобием («неполные модели»). Из их числа наиболее простыми являются наглядные трех- или двухмерные модели, имеющие подобие по одному-двум признакам. Чаще всего это геометрическое и структурное подобие. Такими моделями могут быть: макет подземного или иного сооружения, крепь горной выработки и ее узлы, модель горной машины, глобус земного шара, планшет местности и т.п.

Их назначение – создать четкий зрительный образ объекта или процесса. Макетно-модельный метод проектирования сложных пространственных объектов позволяет обеспечить высокое качество проектирования и максимально снизить вероятность ошибок, нередких в реальной жизни. К тому же выявление и исправление ошибок в процессе строительства обходится дорого и часто нарушает намеченный срок сдачи объекта.

Более сложные физические модели позволяют исследовать явления и процессы с соблюдением не только геометрического, но и других видов подобия (прочностного, деформационного, временного, технологического и пр.).

При исследовании, например, геомеханических процессов применяют моделирование методами: эквивалентных материалов, оптико-поляризационным, центробежным, электроаналогий, струк­турных моделей.

Каждый из методов позволяет решать определенный круг задач и характеризуется различной степенью сложности, трудоемкости, стоимости и полноты информации.

Моделирование на эквивалентных материалах, при крупном и среднем геометрическом масштабе (1: 10-1: 50), позволяет исследовать напряжения, смещения и развитие зон предельного и запредельного состояния в окрестности выработок и взаимодействии системы крепь – массив. При мелком масштабе (1: 50-1: 500) моделируют процессы деформирования больших толщ массива пород под влиянием горных работ.

Такой метод моделирования оказался наиболее результативным в геомеханических исследованиях и получил широкое распространение.

Оптико-поляризационный метод моделирования позволяет наиболее эффективно исследовать распределение напряжений в массиве в окрестности выработок, преимущественно на упругой стадии деформирования (метод фотоупругости). Ограниченность круга решаемых задач, сложность и высокая трудоемкость подготовки и испытания моделей, а также обработки результатов испытаний обуславливают относительно редкое использование метода.

Метод центробежного моделирования, основанный на замене гравитационных сил инерционными, используют при мелком масштабе моделей (около 1: 100) в двух вариантах: а) при моделях из естественных горных пород, необходимые напряжения в которых создают за счет центробежных сил, возникающих при вращении модели в центрифуге; б) при объемных моделях из оптически-активных материалов, которые нагревают и охлаждают в термокамере, помещенной в центрифугу, применяя метод «замораживания напряжений».

Сложность, громоздкость и высокая стоимость оборудования затрудняют использование первого варианта метода и ограничивают применимость второго варианта случаями исследования сложных задач объемного характера.

Метод структурных моделей предназначен для исследования массивов раздельно-блочной структуры, представляющих собой дискретную среду. Характер деформирования и устойчивость таких пород в выработках определяется в большей мере взаимным перемещением блоков, поэтому законы деформирования сплошных сред при этом не подходят полностью или частично. Весьма продуктивным оказалось использование таких моделей в Санкт-Петербург­ском горном институте при исследовании закономерностей упрочнения трещиноватого (раздельно-блочного) массива анкерной крепью.

Метод электроаналогий основан на замене конструктивной модели электрической, изменение параметров которой в эксперименте описывается такими же математическими уравнениями, как в конструктивной модели. Подбор таких уравнений сложен, но результат весьма значим. Метод успешно использовался, в частности, при исследовании процессов водопоглощения и осушения массивов применительно к проектированию и строительству шахт и подземных сооружений в обводненных массивах, а также замораживания пород вокруг выработок и в других подобных случаях.

Рассмотренные методы моделирования по отдельности или в комбинации между собой, а также натурными исследованиями, позволяют, как правило, получить важнейшую информацию для проектирования подземных сооружений и избежать промахов и даже грубых ошибок при выборе их конструктивных и технологических параметров.

В частности, при проектировании обратного свода односводчатой станции метро глубокого заложения в Петербурге согласно расчету по стандартной схеме (без учета технологии строительства) толщина обратного свода из железобетонных блоков должна составлять 0,7-0,9 м. По итогам моделирования методом эквивалентных материалов запроектирован свод вдвое меньшей толщины. Такое решение подтверждено успешной многолетней работой конструкции.

Математическое моделирование основано на представлении какого-либо объекта его математической моделью в виде системы уравнений, формализующих процесс функционирования объекта по ряду его параметров. Моделирование выполняется в виде вычислений (как правило, на ЭВМ) по упомянутым уравнениям при варьировании в необходимых пределах числовых значений параметров и переменных. Математическая модель может быть представлена множеством величин, описывающих функционирование системы, и совокупностями входящих в него подмножеств (входных и выходных характеристик, внешних и внутренних воздействий, ограничений и т.п.)

Математическое моделирование успешно используют при проектировании трасс протяженных подземных сооружений, форм и размеров поперечного сечения выработок, конструкций крепи, технологических схем проходки выработок и т.п.