Использование подземного пространства

Надёжность и долговечность подземных сооружений

Надёжность систем и технических устройств принято рассматривать как вероятность нормального функционирования устройства или системы в течение заданного промежутка времени при известных условиях окружающей среды в соответствии с требованиями государственных стандартов и норм*. Под надёжностью технологий подземного строительства понимают осуществление технологических процессов строительства подземного объекта без отказов за счёт обеспечения факторов надёжности строительных технологий.

Факторы надёжности строительных технологий предупреждают возможные отказы в процессе строительства: остановки, аварии, ущерб от негативных последствий. Эти факторы включают [Лернер , Петренко, 1999]:

концепции безопасности строительства подземного сооружения;

разделение и предупреждение рисков в неопределённых, изменяющихся по трассе тоннеля или контуру сооружения инженерно-геологических условий;

избыточность и компенсирование набора различных технологий и технических приёмов строительства;

применение геофизических методов разведки для обнаружения опасных зон по трассе строительства;

специальные методы и технологии, предотвращающие негативное влияние нарушенных зон на процесс ведения проходческих работ и осадку поверхности, повышающих устойчивость подземных выработок;

методики подбора комплекса технологий и технических приёмов, снижающих возможные риски и последствия негативных ситуаций, а также повышающих надёжность строительства подземных сооружений.

Существуют четыре способа повышения надёжности при разработке различных компонентов и систем [Диксон, 1969]:

1. избыточность;

2. простота;

3. применение стандартных элементов с известной и проверенной надёжностью;

4. работа элементов и систем не на полную мощность, что позволяет увеличивать срок службы оборудования, но при этом увеличивает продолжительность и стоимость строительства под земного сооружения.

Основным направлением повышения надёжности подземного объекта принято считать избыточность.

Основные понятия и положения теории надёжности и долговечности подземных сооружений определены в положении Основные направления строительного проектирования подземных объектов, 1991.

Надёжностью подземного объекта называется его способность сохранять своё функциональное значение в течение установленного срока эксплуатации. Соответственно, основным показателем надёжности сооружения является вероятность его безотказной работы.

Отказ объекта — это полная или частичная утрата несущей способности его составных элементов.

Долговечность объекта — это его способность сохранять работоспособность в заданных условиях эксплуатации. В качестве основных показателей долговечности подземного объекта приняты: ресурс; наработка до отказа, т.е. время безотказной работы от момента начала эксплуатации до наступления предельного состояния, соответствующего прекращению эксплуатации и реконструкции или ликвидации объекта; фактический срок службы. В соответствии с этим при проектировании подземных объектов необходимо нормирование вероятности безотказной работы сооружения в течение заданного срока эксплуатации. Допустимые значения показателей надёжности определяют в зависимости от последствий, к которым может привести отказ (табл. 6.1).

Надёжность конструктивных элементов определяется как вероятность того, что за период эксплуатации их несущая способность не выйдет за допустимые пределы. В качестве основного показателя, характеризующего несущую способность конструктивных элементов, принимается коэффициент запаса прочности, равный отношению предельной и действующей нагрузок. Значение коэффициента должно быть больше 1.

Отказы конструктивных элементов в процессе эксплуатации подземного объекта подразделяются на постепенные и внезапные. Внезапные отказы, в основном, характерны для скальных и полускальных пород. Чаще всего они вызваны тектоническими составляющими напряжённого состояния и накоплением внутренних изменений структуры горных пород. Интенсивность таких отказов принимается независящей от времени, а их совокупность во времени представляет собой математический ряд с экспоненциальным законом распределения, т.е. средняя наработка до отказа обратно пропорциональна его интенсивности. В этом случае функция надёжности конструктивного элемента записывается в виде:

где Ф( Д) — табулированная функция Лапласа, Д — характеристика безопасности, к — интенсивность отказов, t — время эксплуатации.

Характеристика безопасности А может быть определена как:

п — средний коэффициент запаса прочности, UR — коэффициент вариаций предела прочности, Us — коэффициент вариаций нагрузки, К — коэффициент корреляции между прочностью и нагрузкой.

Средний коэффициент запаса прочности:

R — среднее значение предела прочности, S — среднее значение нагрузки.

Интенсивность отказов — это величина, обратная средней, наработке до отказа Г:

Средняя наработка определяется путём статистической обработки результатов натурных наблюдений за состоянием горных выработок. При отсутствии данных длительных статистических наблюдений интенсивность отказов может быть определена по теории выбросов случайных процессов. В этом случае интенсивность отказов характеризуется средним числом пересечений в единицу времени стационарной случайной функцией неразрушимости:

где Р — параметр, характеризующий скорость затухания автокорреляционной функции стационарного случайного процесса резерва прочности.

Важной характеристикой долговечности является обеспеченный ресурс. Это гарантированный срок безотказной работы с заданным уровнем безотказности. Для экспоненциального закона надёжности обеспеченный ресурс рассчитывается как:

, состоящего изт одинаковых панелей, определяется исходя из предположения, что отказ происходит либо при отказе всех панелей, либо при отказе хотя бы одного барьерного целика:

отказа панели, pg — вероятность отказа барьерного целика, разделяющего панели:

— количество сочетаний из п по k .

Таким образом, в результате правильного подбора приемов и технологий подземного строительства возможно повышение надежности строительства подземных объектов и совершенствование их качества.