Санкт-Петербург
+7 (812) 316-20-22
+7 (812) 571-20-22

Применение риск–ориентированного подхода при строительстве и эксплуатации транспортных тоннелей

Технологии
4 марта 2021

Сложные сочетания и изменяющиеся показатели опасных природных и техногенных процессов и явлений во вмещающих грунтовых массивах требуют динамического подхода к оценке, прогнозированию и снижению вероятности возникновения аварийных ситуаций при строительстве и эксплуатации транспортных тоннелей. Учет влияния негативных природных и техногенных факторов на подземные сооружения целесообразно выполнять с позиций теории управления рисками и используя риск–ориентированный подход. В статье рассматриваются способы качественной и количественной оценки геотехнических рисков, а также пути актуализации и детализации прогнозов средствами системы комплексного горно–экологического (геотехнического) мониторинга.

На всех этапах существования системы «подземное сооружение – вмещающая среда» в ней фиксируются природные и техногенные воздействия со сложной структурой их взаимовлияний. Сочетания и показатели опасных процессов и явлений могут значительно отличаться на разных интервалах протяженного подземного сооружения и в разное время. Это требует динамического подхода к оценке, прогнозированию и снижению вероятности возникновения аварийных ситуаций, а также минимизации отказов и потерь на разных участках одного объекта, поэтому учет влияния негативных природных и техногенных факторов на подземные сооружения целесообразно выполнять с позиций теории управления рисками [1–3] и используя риско-риентированный подход.

Суть риско-риентированного подхода в любой сфере заключается в снижении рисков путем оптимизации контроля: в зонах высокого уровня риска контроль увеличивают, а в зонах пониженного риска – снижают или исключают вовсе. Это позволяет оптимально использовать трудовые, материальные и финансовые ресурсы, снижать издержки и повышать результативность контроля. Риск-ориентированный подход при проектировании, строительстве и эксплуатации транспортных тоннелей применяется в целях повышения уровня комплексной безопасности, позволяя осуществлять оценку и контроль наиболее опасных природных и техногенных процессов в зонах их проявлений, а также прогнозировать их дальнейшее поведение и влияние на подземное сооружение и окружающую среду.

Оценка факторов природно-техногенных рисков и составление прогнозных сценариев критических ситуаций на этапе проектирования позволяет выбирать оптимальный вариант трассы нового тоннеля, определять технологии строительства, выполнять категорирование интервалов сооружения по степеням опасностей и рисков, а также заблаговременно разрабатывать адекватные рискам предупредительные мероприятия [4].

В качестве примера на рис. 1 показан прогнозный профиль риска для Второго Северомуйского тоннеля на предпроектном этапе, выполненный с учетом опыта строительства существующего Северомуйского тоннеля.  Цветом обозначены уровни риска по сумме установленных критериев с проекцией на трассу одного из вариантов тоннеля: красный – высокий, желтый – средний, зеленый – низкий уровень риска.

Целью разработки прогнозного профиля риска для транспортного тоннеля на любом этапе его существования является определение пространственного распределения факторов природных и техногенных рисков по длине сооружения и оценка последствий реализации опасностей различного рода.

По тому же принципу может быть проведена интегральная оценка рисков для сравнения вариантов трасс проектируемого транспортного тоннеля или сравнения нескольких однотипных объектов между собой. Так в [5] предлагается унифицированная упрощенная количественная классификация рисков при строительстве тоннелей, разработанная для предоставления страховым организациям средства для оценки общего технического риска, связанного с любым тоннельным проектом.

Классификация основана на следующих пяти ключевых опасностях подземного строительства:

  • сейсмичность района строительства;
  • геологические и гидрогеологические условия;
  • размер и геометрические параметры сооружения;
  • глубина заложения сооружения;
  • оценка деформаций массива и конструкций крепей в процессе строительства.

Одним из преимуществ данного упрощенного подхода является то, что для выполнения оценки по перечисленным опасностям не требуется детальная информация – достаточно общей информации по району строительства. В ходе классификации определяется ряд категорий (3–4 категории) для каждой из пяти ключевых опасностей. Числовой взвешенный рейтинг, называемый «риск-рейтинг», представляется для определенной категории каждой из пяти ключевых опасностей на основе различных степеней влияния, которые эти опасности могут оказывать на проект, исходя из исторического опыта подземного строительства. Предложенные ключевые опасности, их подкатегории и соответствующие риск-рейтинги приведены в табл. 1.

Использование данного упрощенного подхода требует выбора соответствующего риск-рейтинга из каждой подкатегории пяти ключевых опасностей для каждого определенного тоннеля. Суммированием риск-рейтингов определяется итоговый риск-рейтинг тоннеля и соответствующий риск-класс тоннеля, который может изменяться в пределах значений от 0 до 100 как показано в табл. 2. В качестве примера на рис. 2 в виде гистограммы приведен риск-рейтинг тоннелей трассы БАМ, рассчитанный по рассмотренной методике упрощенной количественной оценки рисков при строительстве подземных сооружений [5].

Анализ полученных данных свидетельствует о том, что показанный подход является довольно грубым и может быть применен только в качестве предварительной интегральной оценки всего сооружения в целом, без учета его характерных особенностей. Рассмотренная методика не учитывает многие факторы, характерные как для существующих, так и для проектируемых тоннелей БАМ, такие, например, как радиационная обстановка, влияние вечной мерзлоты и склоновых процессов, наличие смежных или пересекаемых подземных выработок в горных массивах и др. В работе [5] также подчеркивается, что, используя предлагаемый подход при оценке риска, страховые организации, в помощь которым и разрабатывалась методика, должны дополнительно проводить тщательную оценку соответствующих технических данных и запрашивать мнение независимого специалиста в области тоннелестроения для оценки актуального уровня риска каждого конкретного проекта.

В действительности такие меры являются необходимостью, поскольку массивы горных пород в большинстве случаев являются неоднородными, и оценить все риски для тоннеля в целом на этапе проектирования невозможно. Это является одной из причин, по которым на этапе строительства транспортных тоннелей необходимо выполнять краткосрочную оценку инженерно-геологических рисков, детализацию и актуализацию прогноза возможных осложнений впереди забоев тоннеля и на пройденных участках в составе системы комплексного горно-экологического (геотехнического) мониторинга (ГТМ).

Комплекс ГТМ [6] должен включать в себя систему наблюдений, анализа и прогноза современного геодинамического состояния геологической среды, проводимых в рамках заданного регламента, а также оценку негативного влияния горных работ на окружающую среду и безопасность при строительстве подземного сооружения. Системе наблюдений надлежит обеспечивать строительные службы сведениями, необходимыми и достаточными для определения влияний подземного строительства на активизацию опасных геодинамических процессов с целью выбора наиболее безопасных технологий строительства и технологических режимов эксплуатации.

Для этапа эксплуатации транспортного тоннеля разрабатывается система геотехнического мониторинга в составе автоматизированной системы управления технологическими процессами (АСУ ТП), включающая подсистемы контроля напряженно-деформированного состояния (НДС) обделок, оценки устойчивости системы «подземное сооружение – вмещающая среда» на основе геофизических методов, сейсмомониторинга и другие [7]. Физическая реализация комплексной автоматизированной системы заключается в использовании контрольно-измерительной аппаратуры, размещаемой в обделках при строительстве тоннелей. Наиболее ценным в такой системе с точки зрения эксплуатации транспортных тоннелей является возможность контроля технического состояния обделки в режиме реального времени и возможность разработки прогноза состояния как всего сооружения в целом, так и в критических интервалах с высоким проектным уровнем риска, например, на участках пересечения тоннеля с зонами тектонических нарушений.

Система комплексного горно-экологического (геотехнического) мониторинга, являясь инструментом научно-технического сопровождения строительства и эксплуатации транспортных тоннелей, создаваемая на принципах риск-ориентированного подхода, является также основным источником новой геотехнической информации о тоннеле и вмещающем породном массиве. На основе непрерывно поступающей информации с контрольно-измерительной аппаратуры, могут быть рассчитаны показатели аварийности на жизненном цикле сооружения, определены требования к прочности, ресурсу, износостойкости, холодостойкости, надежности, живучести и безопасности. С использованием результатов горно-экологического (геотехнического мониторинга) для транспортных тоннелей может быть сформирована структура определяющих уравнений и параметров техногенной безопасности и защищенности от аварий и катастроф, а также предложены новые пути и методы, системы и средства повышения техногенной безопасности и снижения рисков.

Эти задачи являются крайне актуальными – в процессе долгосрочной эксплуатации транспортных тоннелей постепенные разрушения, повреждения и деформации, вызванные длительно проявляющимися геотехническими и техногенными факторами, равно как внезапные разрушения и повреждения конструкций приводят к невозможности дальнейшей эксплуатации сооружений и требуют их незамедлительного ремонта или реконструкции [8]. Появляются и новые «современные» факторы, осложняющие эксплуатацию тоннелей и метрополитенов, например, террористические акты, разрушение тоннелей сваями при проведении строительных работ на земной поверхности и другие [9].

Выводы

Эксплуатация транспортных тоннелей должна осуществляться в условиях минимальных рисков нарушения требований по надежности и безопасности, а также в условиях высокой экономической эффективности профилактического оздоровления дорог и сооружений и восстановления в случае их отказов. Для выполнения этих требований действующая система управления эксплуатацией искусственных сооружений должна иметь информационно-организованную службу, владеющую знаниями о техническом состоянии объектов, о прогнозировании их работы в случае различных комбинаций функциональных нагрузок и внешних природных условий, а также механизм управления с помощью технических решений, технологических и организационных мероприятий [10].

Система ГТМ, создаваемая на принципах риск-ориентированного подхода, является комплексным решением минимизации рисков нарушения требований по надежности и безопасности транспортных тоннелей и включает в себя как источник актуальной информации о техническом состоянии конструкций с краткосрочным и среднесрочным прогнозом их работы, так и информационно-организованную диспетчерскую службу с регламентом реагирования.

Список литературы:

  1. 1. Perry, J. C. (1986). Risk management: an approach for project managers. International Journal of Project Management. Vol. 4. No. 4, pp. 211–216.
  2. 2. Krantikumar Mhetre, B. A. Konnur, Amarsinh Landage (2016). Risk Management in Construction Industry. International Journal of Engineering Research. Vol. 5. Issue Special 1, pp. 153–155.
  3. 3. Меркин В. Е., Зерцалов М. Г., Конюхов Д. С. Управление геотехническими рисками в подземном строительстве // Транспорт ное строительство. 2013. ---№ 3. – С. 10–12.
  4. Лебедев М. О., Романевич К. В. Оценка и прогнозирование природных и техногенных рисков на этапе проектирования Второго Северомуйского тоннеля // Книга тезисов и Программа Первой Евразийской конферен ции «Инновации в минимизации природных и технологических рисков», 22–24 мая 2019 г., Баку, Азербайджан, с. 106.
  5. D. Brox (2018) A simplified quantitative risk assessment for the insurability of tunnel projects. World Tunnel Congress 2018. International Tunnel Association, Dubai, UAE, pp. 3718–3731. [Д. Брокс Упрощенная количественная оценка риска для страхования тоннельных проектов // Всемирный тоннельный конгресс 2018. Международная тоннельная ассоциация. Дубай. 2018. – С. 3718–3731.]
  6. Методическое руководство по комплексному горно-экологическому мониторингу при строительстве и эксплуатации транспортных тоннелей. М.: УРАН ИПКОН РАН, НИПИИ «Ленметрогипротранс», 2009. 68 с.
  7.  Лебедев М. О., Маслак В. А., Безродный К. П., Исаев Ю. С. Минимизация природных и технологических рисков при эксплуатации Олимпийских тоннелей Сочи // Книга тезисов и Программа Первой Евразийской конференции «Инновации в минимизации природных и технологических рисков», 22–24 мая 2019, Баку, Азербайджан, с. 107. 8
  8. . Власов С. Н., Маковский Л. В., Меркин В. Е. Аварийные ситуации при строительстве и эксплуатации транспортных тоннелей и метрополитенов. ТИМР. Москва. 2000. 197 с.
  9. Гарбер В. А. Нештатные ситуации при строительстве и эксплуатации Московского метрополитена за последние 40 лет // Метро и тоннели. 2014. № 3. – С. 34–35.
  10. Безопасность России. Правовые, социально-экономические и научно-технические аспекты. Тематический блок «Безопасность железнодорожного транспорта». Безопасность железнодорожного транс порта в условиях Сибири и Севера. Научн. рук. Н. А. Махутов. – М.: МГОФ «Знание», 2014, – 856 с.

Авторы статьи:

М.О. Лебедев, зам.ген.директора по научно-исследовательской работе  ОАО НИПИИ "Ленметрогипротранс".

К.В. Романевич, старший научный сотрудник лаборатории геофизических исследований ОАО НИПИИ "Ленметрогипротранс"

Статья опубликована в журнале "Метро и тоннели"

Фото заставки: Loon.site