Выбор способа прокладки инженерных коммуникаций состоит из

УДК: 622:658.011.56
Сачивка Вячеслав Дмитриевич
аспирант каф. АСУ
Московский государственный горный университет
МЕТОДИКА ВЫБОРА ОПТИМАЛЬНОГО СПОСОБА ПРОКЛАДКИ
ПОДЗЕМНЫХ ИНЖЕНЕРНЫХ КОММУНИКАЦИЙ В УСЛОВИЯХ
ГОРОДСКОЙ ЗАСТРОЙКИ
DECISION SUPPORT METHODS OF UNDERGROUND ENGINEER
COMMUNICATIONS LAYING WAY CHOICE IN CONDITIONS OF
URBAN LOCALITY
Инженерные коммуникации являются неотъемлемой частью комфортной
среды обитания современного человека: без наличия света, воды, тепла,
канализации и газа сейчас трудно представить комфортную жизнь.
Усовершенствование инженерных коммуникаций является приоритетным
делом в развитии каждой страны и города. В связи с этим выбор
оптимального способа прокладки инженерных коммуникаций является
актуальной задачей в освоении подземного пространства городов.
Необходимо создание методики выбора способа прокладки инженерных
коммуникаций, позволяющей на основании множества исходных данных
определить оптимальный вариант реализации инженерных решений,
используя методы статистического анализа и построение деревьев решений.
Существуют различные способы прокладки инженерных коммуникаций,
такие как открытая прокладка, с различными видами крепления траншеи, и
бестраншейная прокладка коммуникаций, которая является динамически
развивающимся и наиболее перспективным направлением подземного
строительства. Таким образом, способы прокладки коммуникаций могут быть
разделены на 2 группы (Y1 и Y2), которые далее будем называть «группы
способов»:
 Y1 – бестраншейный способ; Y1 = {X1, X2, X3, X4, X5}, где Х1 –
микротоннелирование, Х2 – бурошнековое бурение, X3 – продавливание
стального футляра, X4 – горизонтально-направленное бурение, X5 –
направленный прокол.
 Y2 – открытый способ; Y2 = {Z1, Z2, Z3, Z4}, где Z1 – крепление
вертикальными стенками, Z2 – деревянные крепления, Z3 – крепление
консольными трубами, Z4 – крепление стальными трубами.
У каждого способа прокладки подземных коммуникаций существует ряд
основных показателей такие как вид проходки, тип проходки и основные
виды футляров (рис. 1), которые необходимо учитывать при выборе того или
иного способа.
88
Прокладка инженерных коммуникаций
Бестраншейная прокладка
коммуникаций
Вид проходки
Открытая прокладка
коммуникаций
Тип проходки
Бурошнековая
установка
Микротоннелирование
Продавливание
стального футляра
Горизонтальнонаправленное бурение
Управляемый прокол
Крепление в
вертикальных стенках
Основные виды
футляров
D<630 мм
D=530 мм
D=1200 мм
160<D<1400 мм
D=100-325мм
Крепление
деревянными щитами
630<D<1020 мм
D=630 мм
D=1400 мм
Крепление стальными
трубами
Крепление
консольными трубами
D=1020 мм
D=720 мм
D=1400 мм
D=820 мм
…
Рис. 1. Классификация методов прокладки подземных инженерных
коммуникаций
Главным экономическим фактором при выборе способа прокладки
инженерных коммуникаций является величина затрат. В процессе сравнения
открытого способа прокладки инженерных коммуникаций с бестраншейным,
была проанализирована структура прямых затрат.
Открытый способ прокладки подземных коммуникаций включает в себя
следующие прямые затраты: освобождение места под траншею и разрушение
улиц, разрытие траншеи, выемка грунта, подготовка русла траншеи,
прокладка коммуникаций, наполнение и уплотнение коммуникаций,
восстановление улиц, удержание воды и время простоя из-за погодных
условий. Бестраншейный способ прокладки инженерных коммуникаций
влечет за собой следующие прямые затраты: сооружение стартового и
приемного котлованов, стоимость проходческих труб, стоимость проходки,
уличные работы, перемещение земли и ликвидация препятствий.
На круговых диаграммах (рис. 2) представлены доли прямых затрат при
строительстве открытым или бестраншейным способом. 75% расходов при
открытом способе приходится на перемещение земли и восстановление улиц.
63% расходов при бестраншейном способе приходится на устройство
котлованов.
89
Рис. 2. Структура прямых расходов при строительстве коммуникаций
открытым и бестраншейным способом
Для различных способов строительства инженерных коммуникаций
произведен анализ зависимости стоимости работ от глубины и длины
прокладки. На первом графике (рис.3) представлены расходы на погонный
метр в зависимости от глубины заложения подземных инженерных
коммуникаций, при открытом способе с высоким уровнем грунтовых вод,
открытом способе без грунтовых вод и бестраншейной прокладке. Значение
расходов при открытой прокладке методом наименьших квадратов были
приближены к экспоненциальной зависимости, а значения расходов при
бестраншейной прокладки остаются постоянными.
На втором графике (рис. 3) представлена зависимость расходов на
погонный метр от длины прокладки инженерных коммуникаций. Расходы при
открытой прокладке при увеличении протяженности остаются постоянными,
а при строительстве закрытым способом зависимость близка к степенной
функции.
90
35
расходы на п.м, тыс. руб
расходы на п.м, тыс. руб.
40
y1  e 0,35 X1 0,85 , R1  0,99
2
30
25
y2  e
20
0, 32 X 2  0, 45
, R 2  0,98
2
15
10
y3  const 3 11
5
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
глубина заложения инженерных коммуникаций, м
30
28
26
24
y4  const 4 20
22
20
y5  const 5 16
18
16
14
y6  51,836 Х 60,28 , R6  0,93
2
12
10
0
20
40
60
80
100
120
140
160
длина прокладки инженерных коммуникаций, м
Рис. 3. Зависимость стоимости работ от глубины и длины прокладки для
различных способов строительства инженерных коммуникаций
Целью работы является обоснование и выбор оптимального способа
прокладки инженерных коммуникаций в условиях городской застройки.
Этапы решения задачи, описанные в данной статье, структурированы в
следующей блок-схеме (рис. 4)
Этапы решения задачи:
1.Предварительный статистический анализ исходных данных и выбор основных факторов, определяющих
выбор способа прокладки инженерных коммуникаций
1.1. Формирование множества исходных статистических показателей
1.2. Определение основных групп факторов определяющих способ прокладки инженерных
коммуникаций
1.3. Определение взаимосвязей между исходными показателями в различных группах
факторов
1.4. Построение системы взаимозависимостей и определение значимых групп факторов
1.5. Формирования исходного информационного базиса
2. Построение деревьев решений для выявления возможных способов прокладки инженерных
коммуникаций
2.1. Выбор группы способов для бестраншейной и открытой прокладки инженерных
коммуникаций (дерево решений №1)
2.2. Выбор способа строительства инженерных коммуникаций при бестраншейной прокладке
(дерево решений №2)
2.3. Выбор способа строительства инженерных коммуникаций при открытой прокладке (дерево
решений №3)
4. Апробация моделей и методов прокладки инженерных коммуникаций на основании проекта: «Подающие
водоводы для жилого района «Рублево-Архангельское» г. Красногорска Московской области» (ООО
«Институт «Каналстройпроект»)
Рис. 4. Этапы выполнения задачи
91
В ходе произведенного предварительного статистического анализа
исходных данных были определены основные факторы, определяющие
дальнейший выбор способа прокладки инженерных коммуникаций. Для этого
было выбрано 30 типов исходных данных, таких как: H – глубина прокладки,
D – диаметр футляра, V9 – срок полезного использования труб, V10 –
стоимость труб, V11 – наличие сносимых сооружений, V12 – аварийность
труб, V13 – коэффициент фильтрации, V14 – расчетное сопротивление грунта
и.т.д. На основании статистических данных, полученных от специалистов
института «Каналстройпроект», с помощью программы Statistica, были
посчитаны коэффициенты корреляции Пирсона и построена корреляционная
матрица взаимозависимостей (рис. 5).


 H
 D

 C
 P

 A

 G
 L

 M
 V9

 V 10
 .

 .

 .
V 30

H
.
.
1
0.21 0.03 0.02 0.19 0.14 0.03 0.08 0.55 0.02 .
0.21
1
0.17 0.15 0.08 0.17 0.06 0.18 0.81 0.72 .
D
C
P
A
G
.
.
0.03 0.17
1
0.11 0.14 0.03 0.06 0.04 0.11 0.11 .
0.02 0.15 0.11
1
0.18 0.05 0.03 0.16 0.29 0.23 .
0.19 0.08 0.14 0.18
1
0.14 0.07 0.13 0.11 0.05 .
.
.
.
0.14 0.17 0.03 0.05 0.14
0.03 0.02 0.04 0.18 .
.
0.03 0.06 0.06 0.03 0.07 0.03
1
0.16 0.03 0.63 .
0.08 0.18 0.04 0.16 0.13 0.02 0.16
1
0.06 0.11 .
.
.
0.55 0.81 0.11 0.29 0.11 0.04 0.03
.
1
L
M
006
V9
1
0.02 0.72 0.11 0.23 0.05 0.18 0.63 0.11 0.26
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
V 10
0.26 .
1
.
. .
1 .
.
. 1
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
0.85 0.75 0.12 0.21 0.03 0.57 0.25 0.18 0.24 0.39 .
.
.
. V 30 

. 0.85 
. 0.75 

. 0.12 
. 0.21 
. 0.03 

. 0.57 
. 0.25 

. 0.18 
. 0.24 

. 0.39 
.
. 

.
. 

1
. 
.
1 
Рис. 5. Корреляционная матрица исходных данных для прокладки
инженерных коммуникаций
Если корреляция исходных данных друг с другом высока, т.е. ( RVW  0,3) ,
то один из двух типов можно исключить для дальнейших исследований.
В тех случаях, когда нет систематического соответствия между
значениями исходных данных V и W, т.е. корреляция ( RVW  0,3) , оба типа
исходных данных принимаются значимыми для дальнейшего анализа.
На основе этих взаимозависимостей был построен граф взаимосвязей
исходных данных для прокладки инженерных коммуникаций (рис. 6).
92
X13 – коэффициент
фильтрации
X14 –расчетное
сопротивление
грунта
...
L – интервал
проходки
М – материал
футляра
X11 –сносимые
сооружения
P – преграды
G
G ––
Водонасыщенность
Водонасыщенность
грунтов
грунтов
X10 – Стоимость
футляра
С – стесненные
условия
X12 - аварийность
труб
X10 – стоимость
трубы
D – диаметр
футляра
A – автодороги
X9 – Срок полезного
использования труб
Н – глубина
прокладки
Рис. 6. граф взаимосвязей исходных данных для прокладки инженерных
коммуникаций
С учетом сформированных
структурных уравнений:
взаимосвязей,
образована
система
V 9  f 9( H , D)

V 10  f 10( L, D)



V 11  f 11( H , M , L) 


V 12  f 12( H , A, M )
V 13  f 13(G )



V 14  f 14(G )

...



на основании которой был построен исходный информационный базис для
определения прокладки инженерных коммуникаций, состоящий из 8-ми
основных факторов, описанных в табл. 1.
Таблица 1
Исходный информационный базис для определения прокладки инженерных
коммуникаций
Описание вводных
данных
1 Глубина прокладки
2 Диаметр футляра
3 Стесненные условия
№
4
Преграды, такие как ж.д.
дороги, реки, насаждения
5 Автодороги
Водонасыщенность
6
грунтов
7 Интервал проходки
8 Материал футляра
Обозначение
Диапазон изменения
(значения) данных
H  (0;30)
H
D
С
D  (50;2000)
P
1=да; 0=нет
А
1=да; 0=нет
G
1=да; 0=нет
L
M
L  (0; )
1=да; 0=нет
железобетон, сталь, полиэтилен
93
Таким образом, в рамках реализации методики ставится задача выбора
способа прокладки подземных инженерных коммуникаций из множества {X1,
X2, X3, X4, X5, Z1, Z2, Z3, Z4}) при определенных заданных условиях (H, D,
C, P, A, G, L, M) (табл.1).
Разработанная методика выбора возможных способов прокладки
инженерных коммуникаций методом построения деревьев решений состоит
из трех основных этапов:
1.
Выбор «группы способов» прокладки (построение дерева
решений №1): при заданных условиях (C, P, G, H) строится дерево решений
№1, в котором определяется множество {Y} возможных «групп способов»,
при Y равном Y2 (если возможен открытый способ) или Y равном Y1 (если
возможен бестраншейный способ). Результат прохождения всех ветвей дерева
решений №1 описывается функцией f1(C, P, G, H) (табл. 2).
Таблица 2
Фрагмент результата прохождения дерева решений №1
C
0
0
P
0
0
G
0
0
H
0
1
f1(C,P,G,H)
Y2
Y1
1
0
1
Y1
Y1
Y1
……
0
1
1
0
1
1
1
1
1
В результате прохождения дерева решений №1 присутствует два
варианта дальнейшего развития событий, а именно, прокладка
бестраншейным (в этом случае переходим к дереву решений №2) или
открытым способом (в этом случае переходим к дереву решений №3) (рис. 7).
C
0
P
0
1
G
1
G
0
1
H
1
Y1
H
0
1
Y2
Y1
0
H
0
1
Y2
Y1
H
0
1
Y1
Y1
0
Y1
Рис. 7. Фрагмент дерева решений №1 прокладки инженерных коммуникаций.
94
2.
Выбор способа прокладки бестраншейным способом (построение
дерева решений №2): при заданных условиях (F, D, L, G) строится дерево
решений, при котором определяется множество {X} возможных способов
бестраншейной прокладки коммуникаций X={X1, X2, X3,…}.
В данном случае представлено три варианта узла «диаметр футляра» в
зависимости от значения ветви для узла «материал футляра» согласно
инженерным характеристикам (табл. 3).
Таблица 3
Описание узлов для дерева решений №2
Обозначение
F
Название узла
Материал футляра
D1
D2
D3
L
Диаметр футляра
Диаметр футляра
Диаметр футляра
Интервал проходки
G
Водонасыщенность
грунтов
Описание узла
Футляры представляют собой трубы
различных диаметров, сделанные из
стали, железобетона или полиэтилена.
Диаметр стального футляра
Диаметр железобетонного футляра
Диаметр полиэтиленового футляра
Максимальный участок, пройденный
с одного котлована
Уровень грунтовых вод
Бестраншейная прокладка коммуникаций является динамически
развивающейся отраслью подземного строительства и имеет ряд альтернатив
решения проектов, в том числе с разными диаметрами прокладки (табл. 4).
Таблица 4
Описание листьев для дерева решений №2
Лист
R
B1
…
B5
J1
…
J6
M1
…
M10
Описание
Направленный прокол
Бурошнековая установка с различными диаметрами
прокладки
Горизонтально-направленное бурение с различными
диаметрами прокладки
Микротоннелепроходческие комплексы с различными
диаметрами прокладки
Результат прохождения всех ветвей дерева решений №2 описывается
функцией f2(F, D, L, G) (табл. 5).
95
Таблица 5
Фрагмент результатов прохождения дерева решений №2
Возможные альтернативы оборудования для прокладки
Продавливание.
F D L GНаправленный Бурошнековая
ГНБ Микротоннель стального
Прокол
установка
футляра
1 11 1
R
В1
J1
1 61 1
В2
J3
М1
2 11 1
М3
2 61 1
М10
3 11 1
R
J1
1 22 1
R
В1
J1
112 1 0
В4
J6
М7
P1
113 1 0
В5
М8
P2
2 11 0
М3
2 21 0
М6
3 11 0
R
J1
3 21 0
R
J1
2 14 0
М3
1 35 0
R
J1
112 6 0
J6
……
Таким образом, в результате прохождения дерева решений для прокладки
коммуникаций бестраншейным способом выявляется от одной до четырех
возможных альтернатив оборудования (направленный прокол, ГНБ,
бурошнековая установка, микротоннель, продавливание стального футляра).
3.
Прокладка открытым способом (построение дерева решений №3,
как продолжения дерева решений №1 в случае, когда значение листа
приходит к показателю Y2): при заданных условиях (A, H3) строится дерево
решений №3, при котором определяется возможный способ открытой
прокладки коммуникаций, где X={Z1, Z2, Z3, Z4}.
Прокладка коммуникаций открытым способом включает в себя четыре
возможные альтернативы использования оборудования, которые и являются
листьями дерева решений (табл. 6).
Таблица 6
Описание листьев для дерева решений №3
Лист
Z1
Z2
Z3
Z4
Описание
вертикальные стенки
деревянные крепления
консольные трубы
стальные трубы
96
Результат прохождения всех ветвей дерева решений №3 описывается
функцией f3(А, H) (табл. 7).
Таблица 7
Результаты прохождения дерева решений №3
A – наличие автодорог
H – глубина прокладки
f3(A, H)
0
0
0
0
1
1
1
1
1
2
3
4
1
2
3
4
Z2
Z2
Z3
Z4
Z1
Z2
Z3
Z4
После прохождения этого уровня выходим на единственный возможный
вариант прокладки открытым способом, а именно, с помощью вертикальных
стенок, деревянных креплений, консольных труб или стальных труб (рис. 8).
Y2
A
1
0
H
1,2
Z2
3
Z3
H
4
1
Z4
Z1
3
4
2
Рис. 8. Дерево решений №3 для прокладки инженерных коммуникаций
открытым способом
Апробация методики выбора способа прокладки инженерных
коммуникаций и внедрение результатов исследования проходили на базе
проектов инженерного обеспечения застроек Московской области отдела
ПОС (проект организации строительства) компании ООО «Институт
«Каналстройпроект». Для расчетов использованы данные ТЭО проекта –
«Подающие водоводы для жилого района «Рублево-Архангельское» г.
Красногорска Московской области». В данном проекте на определенных
участках возникала необходимость прокладки водопроводной трубы в
футляре диаметром D = 1200 мм в условиях плотной городской застройки и
многочисленных зеленых насаждений. С помощью описанной методики, в
результате прохождения деревьев решений №1 и №2, было выявлено три
возможных
альтернативы
прокладки
инженерной
коммуникации:
97
микротоннелирование (Х1), прокладка при помощи бурошнековой установки
(Х2) и продавливание стального футляра (Х3).
Дальнейший детализированный выбор оптимального способа прокладки
инженерных коммуникаций возможен при помощи использования метода
нечеткого программирования.
Литература
1. Орловский С.А. Проблемы принятия решений при нечеткой
исходной информации. – М.: Наука, 1981. –208 с.
2. Высшее горное образование: Шахтное и подземное строительство,
учебник для вузов. Изд-во АГН, 2003. — Т. I, II. – 815 с.
3. Бреннер В.А., Жабин А.Б., Щеголевский М.М., Поляков А.В.,
Поляков А.В. Щитовые проходческие комплексы – М.: Изд-во «Мир горной
книги», 2009. – 447 с.
4. Бондаренко И.С., Баранникова И.В. Анализ факторов, влияющих на
выбор технологии строительства коммуникационного тоннеля. Горный
информационно-аналитический бюллетень. Выпуск № 10: Информатизация и
управление-1. – 2008. – С. 124-129
5. Ишин А.В., Корчак А.А. Анализ факторов влияющих на экологоэкономическую эффективность использования подземного пространства
реконструируемых городских территорий. // Горный информационноаналитический бюллетень. – 2009. – № 9. – С. 165-170.
6. Гончаренко С.Н., Сачивка В.Д. Методы и модели выбора способа
прокладки подземных инженерных коммуникаций в условиях городской
застройки // Международный журнал «Программные продукты и системы» –
2011. – № 1. – С. 142-146.
Аннотация
В статье приведена методика выбора оптимального способа прокладки
подземных инженерных коммуникаций. Рассматриваются альтернативы
открытой и бестраншейной проходки. Произведен предварительный
статистический анализ исходных данных и выбор значимых факторов,
определяющих выбор способа прокладки
инженерных коммуникаций.
Применен метод построения деревьев решений для выявления допустимых
способов прокладки инженерных коммуникаций.
The article highlights methodology of optimal engineer communications
laying way choice. The following alternatives are considered – open laying or pipe
driving. Preliminary statistics analysis has been performed in order to identify
significant types of source data. Decision tree method is used in order to narrow list
of possible alternatives of communications laying.
98
Ключевые слова
способ прокладки, выбор факторов, статистический анализ, инженерные
коммуникации, дерево решений, бестраншейная прокладка, открытая
прокладка, узлы, ветви дерева решений,
laying way, engineer communications, decision tree, open laying, pipe pipe
driving, quarry operation, nodes, branches of decision tree
99