Крупнейших и крупных городов
| Вид материала | Автореферат диссертации |
- Проект Сводного доклада Форума "Стратегии крупных городов. Инвестиционные строительные, 508.25kb.
- Ей, развитии крупных и крупнейших городских систем, но и на усилении территориальной, 130.61kb.
- «Стратегии развития крупных городов», 2286.86kb.
- О. В. Грищенко Уважаемый Олег Васильевич! Всоответствии с запросом Международной Ассамблеи, 125.54kb.
- Вишневской предлагает Вашему вниманию героическую сказку в 2-х действиях «Яспер-лесной, 23.93kb.
- Городов Всемирного Наследия, Международной Ассоциации Породненных Городов, Европейской, 145.2kb.
- Программа международная научно-практическая конференция Ресурсы крупных городов ресурсы, 39.83kb.
- М. М. Соколову Уважаемый Михаил Михайлович!, 92.24kb.
- Актуальность исследования, 167.61kb.
- I. Общие экологические проблемы городов, 452.42kb.
На правах рукописи
ПОДДУБНЫЙ Владимир Владимирович
ОБОСНОВАНИЕ ИНЖЕНЕРНЫХ РЕШЕНИЙ
ПО ЭФФЕКТИВНОМУ ОСВОЕНИЮ
ПОДЗЕМНОГО ПРОСТРАНСТВА
КРУПНЕЙШИХ И КРУПНЫХ ГОРОДОВ
Специальность 25.00.22 «Геотехнология (подземная,
открытая и строительная)»
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Екатеринбург – 2008
Работа выполнена в ГОУ ВПО
«Уральский государственный горный университет»
Научный руководитель – доктор технических наук, профессор,
заведующий кафедрой шахтного строительства УГГУ
Корнилков Михаил Викторович
Официальные оппоненты: доктор технических наук
Боликов Владимир Егорович
кандидат технических наук
Смирнов Алексей Анатольевич
Ведущая организация – Уральский проектно-изыскательский институт
транспортного строительства
(ОАО «Уралгипротранс»)
Защита состоится 29 декабря 2008 г. в часов на заседании диссертационного совета Д 212.280.02 при Уральском государственном горном университете по адресу: 620144, г. Екатеринбург, Ул. Куйбышева, 30, 2-й учебный корпус, ауд. 2142.
С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке
Уральского государственного горного университета
Автореферат диссертации разослан «29» ноября 2008 г.
Ученый секретарь доктор технических наук,
диссертационного совета Багазеев В. К.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
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 упорядоченное 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 крупнейших 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 приоритетных направлений и объектов 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 стадиях 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 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 окружающих строений, особенностей реализации строящихся объектов, предусматривая сопоставление чистого дисконтированного дохода или суммарных дисконтированных затрат с результатами, полученными при анализе страхования строительных и эксплуатационных рисков, устанавливаемых методом Монте-Карло с генерацией входных случайных параметров по универсальному закону распределения Грамма-Шарлье.
Достоверность защищаемых положений, 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 состояния грунтового массива горных пород, особенности реализации строящихся объектов, рациональные объемы страхования строительных и эксплуатационных рисков.
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 подземных сооружений и метрополитена»).
Личный вклад автора диссертации заключается в сборе и 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 горнопромышленной декаде» (апрель 2005 г., Екатеринбург), Международной конференции «Геомеханика, механика подземных сооружений» (сентябрь 2005 г., г. Тула), Международной конференции «Проектирование, строительство и эксплуатация комплексов подземных сооружений» (май 2007 г., г. Екатеринбург), семинарах кафедры шахтного строительства УГГУ (январь, 2006, 2008 гг.), совещаниях при зам. главы администрации Екатеринбурга, ГлавАПУ, ОАО «Уралгипротранс» (2004, 2005 г., г. Екатеринбург).
Публикации. Содержание диссертации опубликовано в восьми печатных работах.
Структура и объем работы. Диссертация включает общую характеристику работы, три главы, заключение, библиографический указатель из 219 наименований. Объем диссертации – 185 страниц компьютерного текста (14 кегль, шрифт «Arial»), 54 таблицы, 18 рисунков.
СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ
Содержание диссертации изложено в трех главах.
В первой главе выполнен анализ изученности проблемы выбора инженерных решений по освоению подземного пространства крупнейших и крупных городов. Существенный вклад в теорию и практику освоения подземного пространства внесли отечественные исследователи А. В. Алексеев, В. А. Бессолов, П. П. Бессолов, Г. М. Богомолов, В. И. Бородин, Н. С. Булычев, С. Н. Власов, В. А. Гарбер, Д. М. Голицинский, Г. Е. Голубев, Е. А. Демешко, В. Я. Дорман, А. Ф. Зильберборд, А. М. Ильин, Б. А. Картозия, Д. С. Конюхов, М. В. Корнилков, А. В. Корчак, Ю. Е. Крук, Н. И. Кулагин, Е. Ю. Куликова, В. Г. Лернер, О. Н. Макаров, Л. В. Маковский, В. Е. Меркин, В. М. Мостков, С. Ф. Панкина, М. М. Папернов, Л. Е. Пелевин, Е. В. Петренко, И. Е. Петренко, Б. Д. Половов, А. В. Попов, В. Л. Попов, А. Г. Протосеня, М. С. Рудяк, В. П. Самойлов, А. А. Сегетдинов, О. В. Тимофеев, В. А. Умнов, Ю. С. Фролов, А. В. Харченко, П. Ф. Швецов, Е. И. Шемякин, А. А. Шилин, М. Н. Щуплик, П. Юркевич, С. А. Юфин, Ю. И. Яровой и др., а также зарубежные специалисты Н. Айатдин, Д. Арригони, В. Дитц, У. Кармоди, Дж. Лемли, Ф. Лесет, Р. Роббинс, Ш. Уоллис, Д. Фрайант, М. Херренкнехт, Ф. Цэнэкадзу и др.
В результате проведенных исследований решен ряд важных вопросов, связанных с выбором инженерных решений по освоению городского подземного пространства:
– получены значимые научные и практические результаты в области формирования направлений освоения городского подземного пространства, номенклатуры подземных сооружений и рациональных схем размещения подземных объектов;
– разработаны методики оценки эффективности освоения городского подземного пространства, в частности, целесообразности внедрения прогрессивных объемно-планировочных и конструктивно-технологических решений.
Однако при составлении общегородских планов освоения подземного пространства инструмент системного анализа в полной мере не использовался, следствием чего являются вероятность возникновения ошибок при анализе градостроительной ситуации и возможность дезориентации внимания на малозначимых, второстепенных объектах. Кроме того, для типичных российских городов (в т. ч. областных центров) с малоразвитой подземной инфраструктурой и недостаточной практикой подземного строительства выполнение полного объема исследований, рекомендуемого «Руководством по составлению схем комплексного использования подземного пространства крупных и крупнейших городов (1978)», требует значительных затрат времени, денежных средств и вряд ли может быть выполнено на региональном уровне без привлечения специализированных организаций.
Существующий уровень изученности в области объемно-планировочных решений подземных сооружений создает хороший задел для разработки комплексных проектов освоения подземного пространства применительно к различным инженерно-геологическим ситуациям, в том числе в условиях высокой изменчивости физико-технических свойств грунтового массива.
Вариационный размах исходных показателей при проектировании подземных комплексов крупнейших и крупных городов может составить весьма существенную величину, а характер распределения случайных параметров может не отвечать нормальному закону. Поэтому практикуемый принцип выбора решений по средним (детерминированным) характеристикам и различного рода страхующим коэффициентам – безопасности, перегрузки, запаса и т. п. – должен корректироваться на основе вероятностных показателей, причем анализ альтернатив целесообразно выполнять по совокупности природных, технических, социальных и экономических факторов, в частности, с учетом значимости объектов.
Мировая и отечественная практика показывают, что расширение области использования подземного пространства крупнейших и крупных городов и увеличение объемов городского подземного строительства обусловлено высокоэффективными техническими разработками. Однако внедрение современных «высоких» технологий, связанных с весьма значительными затратами, без детального риск-анализа конкретной ситуации может привести к тяжелым последствиям.
Таким образом, продуктивными направлениями исследований по теме диссертации являются разработка и реализация:
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.
Во второй главе излагаются исследования по формированию и реализации процедур системного анализа приоритетности направлений освоения подземного пространства крупнейших и крупных городов.
Для объективной оценки градостроительной ситуации и установления уровней приоритетности направлений в условиях ограничений по времени и средствам использовался комплекс исследований, включающий пять последовательных процедур: структуризация задач исследований, групповая экспертиза направлений и объектов, анализ по ресурсным критериям, анализ по критериям условий реализации, системное обобщение оценок. В качестве основного объекта исследований был выбран Екатеринбург – типичный крупнейший город России, подземное пространство которого характеризуется разнообразием природных условий и высокой изменчивостью физико-технических свойств массивов горных пород.
В процедуре «структуризация» выполнено поэтапное расчленение исследуемой проблемы на элементы в трех уровнях: первый уровень глобальные цели – направления освоения подземного пространства; второй уровень – локальные цели объекты и схемы освоения подземного пространства; третий уровень объемно-планировочные, конструктивно-технологические решения. Полный набор целей глобального (8 целей) и второго иерархических уровней (47 целей) показан на рис. 1.
Групповая экспертиза – важнейший неформальный метод системного анализа – проводилась с привлечением высококвалифицированных сотрудников городской администрации, научно-исследовательских и проектных институтов Екатеринбурга, специалистов в области архитектуры, подземного строительства, городского транспорта, коммунального хозяйства. Пример групповой экспертизы глобальных целей – матрица экспертного опроса и результаты ее вероятностно-статистического анализа – приведен в табл. 1, 2.
Обобщение и анализ практики освоения подземного пространства крупнейших и крупных городов свидетельствуют, что помимо финансового обеспечения определяющими ресурсными факторами являются трудовые ресурсы, оборудование для производства горно-строительных работ, строительные материалы и конструкции. Количественная оценка целей по ресурсным критериям выполнялась методом экспертизы по трем видам ресурсов с использованием шкал ранговых показателей, отражающих гарантированное обеспечение существующими ресурсами (5 баллов), необходимость проведения организационных мероприятий (4 балла), необходимость привлечения дополнительных ресурсов (3 балла), радикальную потребность в новых ресурсах (2 балла), сомнительность получения ресурсов (1 балл). По найденным шкалам формировалась общая ранжирующая матрица «цели-средства», в которой средства определяются совокупным проставляемым баллом, отражающим относительную обеспеченность конкретной цели основными видами ресурсов.
Неформальный анализ целей по критериям условий реализации проводился по разработанной системе из 14 оценочных критериев, включающих, в частности, инженерно-геологические условия, уровни занятости городских территорий и интенсивность инженерных сетей, характеристику источников финансирования.
Сведения, полученные в результате групповой экспертизы, анализа по ресурсным критериям и критериям условий реализации, рассматривались как конкретные количественные оценки путей решения проблемы установления приоритетных направлений и объектов освоения подземного пространства крупнейших и крупных городов, найденные с различных позиций и точек зрения. Обработка этих материалов организовывалась таким образом, чтобы был достигнут взаимодополняющий эффект, обеспечивались должная коррекция, возрастание достоверности и уровня объективности итоговых результатов.
ОСВОЕНИЕ ПОДЗЕМНОГО ПРОСТРАНСТВА
8.1 8.2 8.3
Рис. 1. Структурная схема направлений и объектов освоения подземного пространства:
1 – комплексная застройка жилых и административных районов
с использованием подземных объектов:
1.1 – двухъярусные сооружения мелкого заложения под строящимися зданиями с единой подземной инженерной сетью; 1.2 – внутриквартальные сооружения мелкого заложения; 1.3 – формирование многофункционального пространства ниже нулевой отметки при освоении заторфованных территорий; 1.4 – создание подземной платформы в виде стилобатной части при строительстве на активном рельефе; 1.5 – крупные административно-культурные, финансовые и торгово-бытовые, спортивно-рекреационные комплексы; 1.6 – локальные объекты социально-производственной инфраструктуры;
2 – подземные транспортные сооружения:
2.1 – железнодорожные тоннели и въезды-выезды; 2.2 – автодорожные тоннели и развязки; 2.3 – подземные трамвайные и троллейбусные переезды; 2.4 – тоннели для подземной транспортировки грузов; 2.5 – пешеходные переходы; 2.6 – пешеходные зоны (тротуары, улицы); 2.7 – автогаражи и автостоянки; 2.8 – автовокзалы и железнодорожные вокзалы; 2.9 – автопарки, автобазы, трамвайные и троллейбусные депо;
3 – комплексное освоение подземного пространства при строительстве метрополитена:
3.1 – комплексное использование подземного пространства при строительстве станций мелкого заложения; 3.2 – комплексное использование подземного пространства при строительстве перегонных тоннелей мелкого заложения; 3.3 – комплексное использование подземного пространства при строительстве станции глубокого заложения; 3.4 – комплексное использование подземного пространства при строительстве перегонных тоннелей глубокого заложения; 3.5 – строительство метрополицентров;
4 – инженерные коммуникации:
4.1 – локальные коллекторы предприятий и частных фирм; 4.2 – районные полупроходные и проходные коллекторы; 4.3 – магистральные проходные коллекторы; 4.4 – многофункциональные проходные коллекторы; 4.5 – многофункциональные проходные коллекторы с дублированием функции транспортировки стоков; 4.6 – многофункциональные проходные коллекторы с дублированием функций транспортировки стоков и сопутствующими очистными и утилизирующими сооружениями;
5 – объекты инженерной инфраструктуры:
5.1 – районные сооружения для очистки воды; 5.2 – системы оборотного водоснабжения; 5.3 – локальные очистные сооружения бытовых стоков; 5.4 – локальные очистные сооружения производственных предприятий; 5.5 – локальные очистные сооружения ливневых стоков; 5.6 – централизованные внутригородские сооружения очистки стоков; 5.7 – подземные сети для сбора и удаления мусора; 5.8 – подземная переработка и утилизация мусора; 5.9 – резервуары и резервные емкости для воды и стоков;
6 – сооружения производственно-хозяйственного назначения:
6.1 – строительство отдельных производственных помещений; 6.2 – производственные цеха и предприятия; 6.3 – склады горючих и смазочных материалов; 6.4 – продуктовые склады; 6.5 – товарные склады; 6.6 – склады особо опасных и токсичных веществ;
7 – сооружения энергетического комплекса:
7.1 – локальные трансформаторные и тепловые пункты, отдельные котельные; 7.2 – районные подстанции и котельные; 7.3 – гидро- и пневмоаккумулирующие станции;
8 – укрытия:
8.1, 8.2 – локальные и районные мелкого заложения; 8.3 – центральные глубокого заложения
Таблица 1
| Номер цели | Направления освоения подземного пространства | Номер эксперта | |||||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | ||
| 1 | Комплексная застройка жилых и административных районов | 4 | 4 | 4 | 1 | 5 | 6 | 6 | 4 |
| 2 | Подземные транспортные сооружения | 3 | 3 | 1 | 4 | 3 | 3 | 2 | 3 |
| 3 | Комплексное освоение подземного пространства при строительстве метрополитена | 1 | 2 | 3 | 3 | 2 | 1 | 1 | 2 |
| 4 | Инженерные коммуникации | 2 | 1 | 2 | 2 | 1 | 1 | 3 | 1 |
| 5 | Объекты инженерной инфраструктуры | 5 | 6 | 5 | 5 | 4 | 4 | 4 | 5 |
| 6 | Сооружения производственно-хозяйственного назначения | 6 | 5 | 6 | 7 | 6 | 5 | 7 | 6 |
| 7 | Сооружения энергетического комплекса | 7 | 7 | 7 | 6 | 7 | 7 | 6 | 7 |
| 8 | Укрытия | 8 | 8 | 8 | 8 | 8 | 8 | 8 | 8 |
Таблица 2
-
Номер
цели i
Вес цели Vi
Ранг
Коэффициент
согласованности W
1
0,132
5
0,902
2
0,174
6
3
0,198
7
4
0,205
8
5
0,118
4
6
0,083
3
7
0,062
2
8
0,003
1
С этой целью использовалось системное обобщение полученных оценок – аппарат взвешенных сумм и методика анализа относительной важности решений. Найденные ранговые оценки умножались на соответствующие средние веса, установленные квалифицированными экспертами. Вычисленные значения суммировались, оценки приоритетности нормировались по максимуму трех рангов (табл. 3). Полученные результаты представляют относительные характеристики приоритетности, определяющие уровни значимости первого уровня дерева целей. Таким образом, наиболее важными для Екатеринбурга являются четыре направления освоения городского подземного пространства с относительными оценками приоритетности, превышающими уровень средней оценки, равной 0,562: комплексное освоение подземного пространства при строительстве метрополитена (цель 3, оценка 0,959); прокладка магистральных инженерных коммуникаций (цель 8, оценка 0,915); строительство подземных транспортных сооружений (цель 2, оценка 0,750); комплексная застройка жилых и административных районов с использованием подземных объектов (цель 1, оценка 0,625), см. рис. 1.
Таблица 3
| Цели | Средства | Оценка | |||||||
| По результатам экспертизы | По ресурсным критериям | По критериям условий реализации | |||||||
| приоритет | с весом 0,25 | приоритет | с весом 0,15 | приоритет | с весом 0,60 | суммарная | относительная | средняя | |
| 1 | 5 | 1,25 | 5,0 | 0,750 | 5 | 3,0 | 5,000 | 0,625 | 0,562 |
| 2 | 6 | 1,50 | 6,0 | 0,900 | 6 | 3,6 | 6,000 | 0,750 | |
| 3 | 7 | 1,75 | 7,5 | 1,125 | 8 | 4,8 | 7,675 | 0,959 | |
| 4 | 8 | 2,00 | 7,5 | 1,125 | 7 | 4,2 | 7,325 | 0,915 | |
| 5 | 4 | 1,00 | 4,0 | 0,600 | 4 | 2,4 | 4,000 | 0,500 | |
| 6 | 3 | 0,75 | 2,5 | 0,375 | 3 | 1,8 | 2,925 | 0,366 | |
| 7 | 2 | 0,50 | 2,5 | 0,375 | 2 | 1,2 | 2,075 | 0,259 | |
| 8 | 1 | 0,25 | 1,0 | 0,150 | 1 | 0,6 | 1,000 | 0,125 | |