Физико-технический контроль и мониторинг при освоении подземного пространства городов

УДК 53.08.088:622
ББК 33.1
 
В18

Книга соответствует «Гигиеническим требованиям к изданиям книжным для 
взрослых» СанПиН 1.2.1253–03, утвержденным Главным государственным 
санитарным врачом России 30 марта 2003 г. (ОСТ 29.124–94). Санитарноэпидемиологическое заключение Федеральной службы по надзору в сфере защиты 
прав потребителей и благополучия человека № 77.99.60.953.Д.014367.12.12

Экспертиза проведена Учебно-методическим объединением высших учебных заведений Российской Федерации по образованию в области горного дела (письмо 
№ 51/16/184 от 20.02.2012 г.)

Рецензенты: 
д-р техн. наук, проф. В.В. Першин (зав. кафедрой «Строительство подземных 
сооружений и шахт» Кузбасского государственного технического университета (КузГТУ));
д-р техн. наук, проф. В.А. Хямяляйнен (зав. кафедрой «Теоретическая и геотехническая механика» КузГТУ);
д-р техн. наук, проф. В.Н. Захаров (и.о. директора Института проблем комплексного освоения недр РАН)

•

•

•

© А.З. Вартанов, 2013
© Издательство «Горная книга», 2013
© Дизайн книги.  
 
Издательство «Горная книга», 2013

ISBN 978-5-98672-243-6
УДК 53.08.088:622
ББК 33.1

Вартанов А.З.
В18  
Физико-технический контроль и мониторинг при освоении 
подземного пространства городов: Учебник для вузов. — М.: 
Издательство «Горная книга», 2013. — 548 с.: ил. (СТРОЙТЕХИЗДАТ)
ISBN 978-5-98672-243-6 (в пер.)

Приведены основные цели и задачи, решаемые физико-техническими 
методами контроля и мониторинга при строительстве и эксплуатации подземных сооружений в условиях крупных городов и мегаполисов. Рассмотрены основные геофизические методы для изучения структуры, свойств 
и состояния геологической среды в зоне строительства, описаны методы 
и средства контроля и мониторинга соответствующих технологических 
процессов, а также эксплуатационный контроль подземных сооружений. 
Изложены базовые сведения о методах и средствах экологического контроля 
при освоении подземного пространства городов.
А.З. Вартанов — профессор кафедры «Физико-технический контроль 
процессов горного производства» МГГУ.
Для студентов вузов, обучающихся по специальности «Физические процессы горного или нефтегазового производства» направления подготовки 
«Физические процессы горного или нефтегазового производства». Может 
быть полезно также студентам, аспирантам, научным и инженерно-техническим работникам, сфера деятельности которых связана с освоением 
подземного городского пространства.

ВВЕДЕНИЕ

Многофункциональная подземная инфраструктура мегаполисов и крупных городов играет важнейшую роль в их жизнеобеспечении и социально-экономическом развитии. В настоящее 
время эта инфраструктура объединяет огромное число различных по своей технической реализации, масштабам и назначению 
объектов: энергетических (подстанции, линии электропередачи), транспортных (метрополитены, автомобильные и железнодорожные тоннели, вокзальные комплексы и автостоянки), 
инженерных (водопровод, канализация, водосток), социальных 
(предприятия торговли и общественного питания, складские 
и другие помещения), гражданской обороны (убежища, хранилища аварийных запасов), связи (кабельные коллекторы 
и распределительные пункты) и др. При этом целесообразность 
размещения указанных объектов в подземном городском пространстве объективно обусловлена не только ограниченностью 
и важностью рационального использования земельных ресурсов 
на поверхности, но и необходимостью решения многочисленных 
проблем, связанных с обеспечением экологической, коммуникативной, технологической безопасности, а также комфортности 
проживания населения в крупных городах.
Подземное городское пространство по своей сути является сложной открытой природно-технической системой, для 
которой характерно постоянное пространственно-временное 
развитие и взаимодействие ее природных и рукотворных (технических) составляющих как между собой, так и с вещественно-энергетическими полями более глубоких слоев литосферы 
и наземной инфраструктуры города. Следствием указанного 
взаимодействия и неизбежного расходования исходного ресурса 
составляющих системы может стать потеря ее функциональной 
и структурной устойчивости, то есть способности сохранять 
изначально заданные параметры и режимы функционирования. В результате возникают значительные потери социального 

и экономического характера, а в ряде случаев — серьезные 
аварийные ситуации и даже катастрофы. Поэтому обеспечение 
устойчивости подземной инфраструктуры города как важнейшей системы его жизнеобеспечения должно рассматриваться в качестве необходимой целевой функции принимаемых 
проектных, управленческих, технических и технологических 
решений на всех стадиях реализации строительства и эксплуатации соответствующих подземных объектов. Необходимым 
условием эффективности таких решений является их надежное и всеобъемлющее информационное обеспечение, а также 
включение процессов контроля и диагностики в строительную 
геотехнологию в качестве ее обязательных элементов. Важнейшей составляющей указанного информационного обеспечения 
являются сведения о совокупности инженерно-геологических, 
геоморфологических, климатических, гидрогеологических и других особенностей геологической подосновы города. Решение 
задачи изучения этих особенностей реализуется комплексом 
геологических и геофизических методов с учетом того, что освоение подземного пространства мегаполисов осуществляется 
в верхней части геологического разреза, для которого характерна значительная неоднородность, связанная в том числе и с 
наличием многометрового культурного слоя.
Второй составляющей информационного обеспечения являются сведения о качестве выполнения соответствующих 
технологических процессов непосредственно в ходе подземного 
строительства, а третьей — сведения о дефектности и остаточном ресурсе объектов подземной инфраструктуры города, уже 
находящихся в эксплуатации. Для реализации двух последних 
составляющих привлекается комплекс методов горной геофизики и методов неразрушающего контроля. Получаемая с их 
помощью информация позволяет обосновать наиболее эффективные подходы к управлению устойчивостью подземных 
объектов на стадии их строительства и эксплуатации.
Особенностью выполнения процедур физико-технического 
контроля и мониторинга является использование для решения 
различных прикладных задач общего набора методов. Поэтому 
при написании учебника по контролю и мониторингу применен 

следующий подход: излагаются физические принципы, лежащие 
в основе метода, и далее описывается его область применения 
для решения конкретных производственных задач. Стержнем 
построения учебника выбран жизненный цикл подземного 
сооружения «замысел → проектирование → строительство → 
эксплуатация → утилизация» и соответствующая последовательность «этап жизненного цикла подземного сооружения → задачи 
мониторинга и контроля → методы мониторинга и контроля».
Такое построение книги позволяет привязать процедуры 
мониторинга и контроля к элементам жизненного цикла сооружения, разнести их во времени. Физическая сущность геофизических методов рассматривается при первом их упоминании 
в тексте и выделяется типографским способом, а особенности 
реализации методов привязываются к конкретным задачам 
строительной геотехнологии. В результате этого изложение 
становится более прозрачным, а студенты и специалисты, 
интересующиеся предметом, могут пользоваться книгой как 
учебным и справочным пособием.
Следует остановиться также на способе отбора материала 
для учебника. Из-за ограниченного объема книги большое 
внимание уделено основным задачам и оптимальным методам 
их реализации, хорошо зарекомендовавшим себя на практике, 
и, как следствие, снижению полноты описания теоретических 
основ этих методов. На взгляд автора, такой подход позволяет 
читателю более успешно усваивать основы предмета и формирует ясную картину взаимосвязи жизненного цикла сооружения 
и различных этапов физико-технического контроля и мониторинга, а также получить достаточный объем информации для 
успешной работы со специальной и справочной литературой.

Гл а в а  1

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Многолетними исследовательскими работами установлено, 
что верхняя часть геологического разреза массива горных пород 
на значительной территории большинства городов характеризуется весьма высокой сложностью строения и свойств (геологических, гидрогеологических, геомеханических и прочих). Именно 
этим объясняется высокая степень риска освоения подземного 
пространства, что предопределяет необходимость разработки 
надежного геомеханического обеспечения (ГМО) взаимодействия 
подземного сооружения либо подземной части строительного 
объекта с вмещающим массивом. Данное требование является 
новым элементом процессов проектирования, строительства 
и эксплуатации указанных объектов, однако и ретроспективный опыт освоения подземного пространства, и существенно 
более масштабные задачи, стоящие перед градостроительными 
комплексами мегаполисов, однозначно предопределяют его 
необходимость и целесообразность.
Под геомеханическим обеспечением освоения подземного 
пространства на рассматриваемой территории понимается 
решение следующих задач: создание длительной (на заданный 
срок) устойчивости подземных объектов; геоконтроль напряженно-деформированного состояния вмещающих их пород; 
определение влияния подземных объектов на окружающую 
их природную среду и инженерные сооружения как в период строительства и эксплуатации объектов, так и в период 
их реконструкции и особенно ликвидации. Основная цель 
ГМО — предотвращение аварийных ситуаций при освоении 
подземного пространства, повышение безопасности и эффективности горных работ, обеспечение сохранности и стандартной эксплуатации зданий, сооружений и инженерных сетей,