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;
* В данном разделе рассматриваются только факторы надёжности, приводящие к утрате несущей способности при строительстве или к невозможности эксплуатации объекта.
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 подземного 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 со-
стояния, 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.
Таблица 6.1. Допустимые значения вероятности безотказной работы подземного сооружения в зависимости от последствий отказа
|
Последствия отказа |
Допустимая вероятность безотказной работы |
|
Катастрофические — полное разрушение объекта, разрушение оборудования, гибель людей |
р -* 1 |
|
Имеющие значительный экономический ущерб — приостановление работы объекта, выход из строя оборудования |
р > 0,99 |
|
Имеющие незначительный экономический ущерб — простои в работе объекта для ремонта |
р > 0,90 |
|
Практически без последствий — только незначительные затраты на ремонт |
р < 0,90 |
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 экс-
поненциальным законом распределения, т.е. средняя наработка до отказа обратно пропорциональна его интенсивности. В этом случае функция надёжности конструктивного элемента записывается в виде:
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:
Надёжность системы камерных выработок определяется надежностью её конструктивных элементов и структурной схемой их соединения. Если подземный объект состоит из нескольких групп камер, разделяемых барьерными целиками, то система камер и целиков, составляющих группу, называется панелью. Вероятность отказа подземного объекта p 0 g, состоящего из /и одинаковых панелей, определяется исходя из предположения, что отказ происходит либо при отказе всех панелей, либо при отказе хотя бы одного барьерного целика: