СУЩНОСТЬ И ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПОДЗЕМНЫХ ОБЪЕКТОВ

Подземное строительство является более сложным, чем обычное промышленно-гражданское. Здесь наряду с возведением зданий и сооружений на поверхности необходимо осуществить подземные горные работы, которые имеют следующие особенности: ограниченность фронта работ, лимитируемая числом одновременно действующих забоев, численности рабочих и числа механизмов, размещаемых в забое; изменчивость горно-геологических условий по мере подвигания забоя; особые требования техники безопасности и промышленной санитарии; прямая зависимость возможности выполнения производственных процессов в забое от работы обслуживающих цехов (подъема, вентиляции, водоотлива и т.п.).

До начала строительства необходимо иметь четкое представление о конструкции подземного сооружения, наилучших способах организации строительно-монтажных и горнопроходческих работ, необходимых материальных, энергетических, трудовых и других ресурсах. Это представление вырабатывается в процессе проектирования.

В настоящее время проектирование является самостоятельным звеном процесса создания технических средств производства, занимая место между научными исследованиями и собственно материальным производством.

В процессе проектирования создают систему образов технического объекта или технологического процесса, которую оформляют в виде чертежей, графиков, расчетов, таблиц, пояснительных записок и называют проектно - сметной документацией. Роль и значение проектирования значительно шире, чем просто подготовка чертежей и смет для строительства. В проектах строительства подземных сооружений предусматривают повышение эффективности капитальных вложений, скорейшее освоение новых мощностей, сокращение сроков и снижение стоимости строительства при высоком качестве строительно-монтажных работ.

Для того чтобы начать строительство, необходимо иметь проект. Проект — это прототип или прообраз предполагаемого объекта, процесса или элемента. Под объектом будем подразумевать различные технические устройства, машины, аппараты, приборы, предприятия, установки, сооружения, в том числе и подземные. Будем рассматривать в основном технологические, организационные, производственные и строительные процессы. Каждый объект или процесс может состоять из элементов.

Проектированием (инженерным) называют деятельность по созданию на основе использования исходной технической информации, научных знаний и воображения прототипов (прообразов) новых объектов, процессов или элементов, которые с максимальной эффективностью и минимальными затратами выполняли бы предписанные им функции. В настоящее время наряду с традиционными видами инженерного проектирования (архитектурно-строительным, машиностроительным, технологическим и др.) начали складываться самостоятельные направления проектирования человеко-машинных систем (решающих, познающих, эвристических, прогнозирующих, планирующих, управляющих и т.п.), трудовых процессов, организаций, а также экологическое, социальное, инженерно-психологическое, генетическое и другие виды проектирования.

Проектирование представляет собой совокупность решений так называемых инженерных задач. Задача возникает всякий раз, когда нужно перейти от одного состояния к другому. Задачей может быть выплавка металла из руды, получение цемента из камня, добыча полезного ископаемого из-под земли, получение электроэнергии из реки и др. ( 3.1). У любой задачи есть начальные условия — вход и тот результат, который нужно получить, — выход. Решением инженерной задачи является создание объекта, процесса или элемента, которое, используя законы природы, может перевести состояние входа в состояние выхода ( 3.2).

Более конкретно инженерная задача ( 3.3, а) состоит в отыскании объекта, процесса или элемента при заданных начальных условиях (входе) и результатах (выходе). Иначе говоря, проектировщик, решая инженерную задачу, создает реальное сооружение, устройство или процесс, полезный людям, используя известные законы природы и учитывая заданные условия (вход) и характеристики (выход) создаваемого объекта, устройства, процесса.

В задачу научных исследований (см.  3.3, б) входит открытие законов природы. Здесь в качестве объектов, процессов и элементов выступают научные приборы, выходом являются их показания, а входом — воздействия природных факторов.

Большинство инженерных задач имеет огромное число решений, т.е. переходов от одного состояния к другому. Например, есть много видов транспорта и много возможных маршрутов между двумя пунктами. Если нет различных способов достижения требуемого результата, то нет и инженерной задачи. Точно также, если все возможные решения одинаково хороши, то инженерная задача не возникает. Инженерная задача требует отыскания наиболее предпочтительного способа достижения желаемого или заданного результата. Основной признак, по которому одно решение выбирают из многих возможных, называют критерием.

При переходе от одного состояния к другому часто существуют частные, но вполне определенные решения, применение которых неизбежно, так как они определены существующими нормами, накопленным опытом или авторитетом специалистов. Например, при подземном строительстве существуют минимально допустимые размеры поперечных сечений горных выработок, скорости движения воздуха по выработкам, наборы типовых решений и т.п. Такие решения, которые должны быть обязательно включены в инженерную задачу, называют ограничениями.

Таким образом, инженерная задача существует тогда, когда необходимо перейти от одного состояния к другому, если существует более чем одно возможное решение и если все возможные решения неочевидны. Например, при строительстве подземной гидроэлектростанции входом является поток воды, движущийся в русле реки, а выходом — электроэнергия, поступающая по линиям электропередачи потребителям. Сложность инженерной задачи заключается в том, что основные энергетические параметры гидроэлектростанции, такие как напор, мощность, выработка энергии, и конструкции входящих в ее состав сооружений, их размеры, объемы и стоимость работ тесно связаны с местными топографическими и гидрогеологическими условиями, а также с методами производства работ и не могут быть определены однозначно.

Практикой проектирования установлено, что этапы решения инженерной задачи выполняют в последовательности, приведенной на  3.4. Прежде всего должна быть поставлена задача. На основе прогнозов, генеральных схем, а также результатов научно-исследовательских работ определяют потребность в проектировании и формулируют основную инженерную задачу, обычно в виде задания па проектирование. Наряду с заданием выдают также исходные данные, необходимые для решения инженерной задачи (технико-экономическое обоснование, данные о горно-геологических условиях и месте строительства и т.п.).

Приступая к решению инженерной задачи, изучают и уясняют цель проектирования. Цель может быть определена заданием или характером проектирования. После уяснения цели оценивают исходные данные, изучают относящиеся к решению инженерной задачи литературные источники, патенты, директивные и нормативные материалы и т.п. Затем делают выводы из исходных материалов и других источников. Уяснение цели и формулирование выводов на основе исходных материалов представляет процесс определения инженерной задачи, после чего ведут поиск возможных решений и формируют идею решения инженерной задачи в виде принципиальной схемы проектируемого объекта, процесса или элемента. Иногда это шаблонное применение известного принципа или его пересмотренного варианта. Однако творческое техническое или организационное решение, отличающееся новизной, полезностью и простотой, может быть получено только путем изобретательства. Конечно, при проектировании подземных сооружений могут и должны быть использованы существующие технические и организационные решения, особенно типовые проекты и технологические карты, однако даже привязка этих решений к местным условиям требует формирования определенной идеи решения.

После того как намечены одна или несколько принципиальных схем подземного сооружения или организации его строительства, приступают к инженерному анализу, включающему в себя проведение расчетов и получение данных, необходимых для принятия решения. Составными частями инженерного анализа, тесно связанными друг с другом, являются представление и оптимизация. Представление —это высшая форма чувственного отражения, т.е. знание об объектах в виде их образов. Термин «оптимальный» означает лучший с точки зрения заданных или принятых критериев.

Этап инженерного анализа заканчивается выдачей результата и принятием решения, т.е. синтезом прототипа, прообраза проектируемого сооружения или процесса его строительства. На этом этапе полученные результаты анализируют и сравнивают с заданием или целью инженерной задачи. После этого решение можно изменять, улучшать характеристики прототипа до тех пор, пока они не станут удовлетворительными. Таким образом, с каждым циклом решение инженерной задачи приближают к оптимальному. Чем больше циклов можно выполнить в заданных рамках времени и бюджета, тем лучший результат будет достигнут.

Изложенная схема показывает, что решение инженерной задачи представляет собой циклический, многошаговый процесс последовательного приближения. Такой подход к решению инженерных задач существует лишь потому, что нам неизвестно пока, как можно сразу выполнить синтез проекта. Мы умеем только составлять пробный вариант решения, анализировать, изменять его параметры и таким образом строить процесс, сходящийся к решению.

Как правило, решение инженерной задачи подчиняется законам сложных систем. При этом одно решение получают из другого, а процесс выработки общего решения развивается в направлении от более высокого уровня неопределенности к низкому и представляет собой сеть последовательных и разветвленных решений. Между отдельными решениями существуют очень сложные взаимосвязи. В процессе анализа решения инженерной задачи осуществляют необходимые взаимодействия с решаемыми параллельно инженерными задачами. Обычно они принимают форму согласований вырабатываемого решения с исполнителями параллельно решаемых инженерных задач.

Возможно, принятое решение инженерной задачи в результате согласований окажется недостаточно оптимальным. Тогда снова возвращаются к формированию идеи (принципиальной схемы), проводят необходимые расчеты и выбирают оптимальный вариант с учетом ранее не учтенного фактора.

После принятия решения необходимо, чтобы созданная система образов технического объекта или процесса была доступна и понятна строителям, которые будут заниматься реализацией принятого решения. Для этого их оформляют в виде проектно-сметной документации, часто называемой проектом.

Разработанное и оформленное в виде проекта решение инженерной задачи должно быть подвергнуто перед утверждением экспертной оценке для проверки соответствия его современным требованиям. В отличие от проектировщиков, поглощенных деталями решения инженерных задач и трудностями согласования этих решений со строителями и заинтересованными организациями, эксперт занимается анализом решений инженерных задач и общей оценкой качества технической документации и технико-экономических показателей.

В процессе экспертизы эксперт подготавливает рекомендации по улучшению качества проектов. Он должен знать современные методы решения инженерных задач и уметь давать количественную и качественную оценку проектов. После внесения (при необходимости) по замечаниям эксперта исправлений в проект его утверждают и передают исполнителям для реализации.

Работа проектировщика редко заканчивается разработкой технической документации. В его обязанности входит наблюдение за внедрением решения инженерной задачи в производство, участие в испытаниях, оказание технической и методической помощи.

Ни одно из решений практических задач не остается постоянно наилучшим. Находят лучшие решения, возникают новые требования, накапливают новые знания, изменяются условия. Поэтому наступает время, когда целесообразно пересмотреть проект в поисках лучшего решения. Улучшение существующих устройств, приборов, сооружений называют модернизацией или реконструкцией.