книги / Строительная геотехнология

2 .1 . М ИРОВОЙ ОПЫ Т КОМПЛЕКСНОГО

ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПОДЗЕМНОГО ПРОСТРАНСТВА

Использование подземного пространства является од­ ним из важных направлений рационального использования недр, экономии земли и охраны окружающей среды. Эффек­ тивность подземных объектов обусловливается многими достоинствами: использованием массива горных пород в ка­ честве строительного и изоляционного материалов; долго­ вечностью подземных сооружений и сокращением расходов на капитальный и текущий ремонт; экономией энергетиче­ ских ресурсов за счет непроизводительных расходов тепла и холода при обеспечении заданных технологических режи­ мов; сохранением земной поверхности; экономией наземной территории; повышенной сейсмостойкостью и виброустойчивостыо; надежной защитой от внешних воздействий, в том числе и от средств поражения.

Подземное пространство, образующееся при разработке месторождений полезных ископаемых, в настоящее время является практически невостребованным, а его объемы ог­ ромны. Объем подземного пространства всех шахт и рудни­ ков страны составляет приблизительно 1 млрд м3 капиталь­ ных и подготовительных горных выработок и 500 млн м3 в год очистных.

Широкое комплексное, заранее планируемое использо­ вание подземного пространства, базирующееся на социаль­ но-экономических, инженерно-геологических, теплофизиче­ ских, механических и других исследованиях, имеет большое народнохозяйственное и оборонное значение.

Проблема комплексного использования подземного пространства городов в настоящее время является не аль­ тернативной, а насущной задачей оптимального развития инфраструктуры города, решение которой позволит:

35

♦создать предпосылки для освобождения поверхности земли от инженерно-технических, подсобно-вспомога­ тельных, складских и других сооружений;

♦способствовать компактной организации новых и развитию существующих центров и комплексов как промышленных предприятий, так и предприятий быто­ вого обслуживания;

♦упорядочить транспортное обслуживание;

♦улучшить экологическую обстановку в городе. Комплексное использование подземного пространства

необходимо для городов всех категорий, разница заклю­ чается лишь в номенклатуре и количестве сооружений, ко­ торые целесообразно размещать ниже земной поверхно­ сти, с точки зрения капитальных вложений и социальноэкономического эффекта.

Основными факторами, влияющими на размещение соз­ даваемых объектов в подземном пространстве, являются:

♦величина города и его зонирование;

♦рельеф местности, геологические и гидрогеологиче­ ские условия;

♦функциональное назначение различных зон (селитьба, промышленные и другие внеселитебные зоны);

♦характер городской застройки.

Пространственное решение создаваемых объектов, взаимоувязка их в профиле при вертикальном зонировании ре­ комендуется производить в следующем порядке:

♦I ярус (примерно 4—5 м от поверхности) — пеше­ ходные переходы с учреждениями попутного обслу­ живания, гаражи-стоянки, подземные помещения и малогабаритные служебные тоннели для загрузки объектов торговли, производственные и другие скла­ ды повседневного пользования, проходные коллекто­ ры, местные инженерные сети;

♦II ярус (от 4—5 до 20 м) — трассы и тоннели мелко­ го заложения, пересадочные узлы, отдельные соору­ жения гаражей-стоянок, железнодорожные вводы, ма­

36

гистральные инженерные сети и коллекторы, крупные склады периодического пользования и технологиче­ ские емкости;

• III ярус (более 40 м) — тоннели и станции глубокого заложения, транспортные тоннели многофункциональ­ ного использования, в том числе предназначенные для новых видов транспорта (экспресс-метрополитен, пер­ спективный пассажирский и грузовой пневмотранспорт, магистральные коллекторы глубокого заложения).

Такое многоуровневое использование подземного про­ странства создает необходимые предпосылки для выработки единой концепции компактной застройки с эффективными функциональными связями.

По назначению и использованию подземные сооружения могут быть систематизированы по трем направлениям: под­ земные объекты хозяйственного, социального и экологиче­ ского назначения.

2.2. ПОДЗЕМ НЫ Е ОБЪЕКТЫ ХОЗЯЙСТВЕННОГО НАЗНА ЧЕНИЯ

Развитие промышленного производства, особенно в крупных городах, сопровождается целым рядом негативных последствий: возрастающим дефицитом территорий, изъяти­ ем сельскохозяйственных земель, занимаемых под новое строительство, удлинением инженерных коммуникаций, уве­ личением парка транспортных средств с последующим уси­ лением интенсивности движения, ухудшением экологической обстановки.

Промышленные зоны, занимающие до 40 % территории города, имеют плотность застройки, как правило, не пре­ вышающую 25—30 %.

Использование подземного пространства промыш­ ленных зон будет способствовать более компактной за­ стройке наземной территории, что позволит повысить

37

плотность застройки до уровня 50—60 %, как это имеет место на крупных промышленных площадках больших городов Европы и США.

ГОРНО-ПРОМЫШЛЕННЫЕ ПРЕДПРИЯТИЯ

Горно-добывающие предприятия (шахты, рудники) — комплексные предприятия, предназначенные для разработки и добычи полезных ископаемых. Сооружаются в различных горно-геологических условиях. Их размеры и объемно­ планировочные решения зависят от вида полезного иско­ паемого и объемов добычи.

ПРОМЫШЛЕННЫЕ ПРЕДПРИЯТИЯ

В течение последних пятидесяти лет в различных странах мира осуществлено строительство наиболее сложных в тех­ ническом отношении подземных промышленных предпри­ ятий-заводов, выпускающих оборонную продукцию, изделия электроники, точного приборостроения и пр.

Большой опыт такого строительства накоплен в Швеции, которая по масштабам размещения под землей промышленных предприятий занимает одно из первых мест в мире.

Для горно-геологических условий Швеции минимальная толщина покрывающих пород установлена 15—20 м.

Компоновочная схема: ряд параллельных выработок, соединенных проходами. Пролеты, как правило, 15—20 (до 30) м, высота помещений 10— 15 м. При проходке несколь­ ких параллельных камер размер разделяющего их опорного столба-целика принимают не менее 2/3 высоты выработки и не менее 3/5 ее ширины, что гарантирует безопасность про­ ведения буровзрывных работ и необходимую устойчивость выработок.

Наиболее часто используют ограждающие крепи пневмобетонные или в виде торкретбетона, нанесенного на про­ волочную сетку, закрепленную в кровле анкерами. Иногда применяют монолитный бетон. Бетонное или железобетон­ ное крепление используют только в случае недостаточной прочности скальных пород или при небольшой толщине по­ крывающих пород. Крепи такого типа возводят из арок с

38

ребрами жесткости, направленными в сторону породы, и располагают на некотором расстоянии от стен выработок. Стены выполняют обычно из кирпичных и пористых желе­ зобетонных блоков. Их облицовку часто делают декоратив­ ной или свободно стоящей, из сборного железобетона, с ис­ пользованием пространства между облицовкой и стенками для размещения приточно-вытяжной вентиляции и дренажа.

Во время Второй мировой войны Германия разместила в имевшихся горных выработках в специальных подземных сооружениях около 150 заводов и цехов по изготовлению продукции широкой номенклатуры.

В то же время в Англии размещали заводы в имевшихся горных выработках. Так, один из заводов по изготовлению авиационного оборудования занимал площадь 3,7 тыс м2 на глубине 20 м. На поверхности находились одноэтажные производственные и двухэтажные помещения администра­ тивных служб и складов.

Специально, без использования существующих вырабо­ ток, был построен завод на глубине 45 м в меловых отложе­ ниях. Производственные цехи располагались в системе па­ раллельных выработок протяженностью по 200 м и сечением 6,7x6,1 м.

Подземные заводы во Франции были построены в спе­ циальных сооружениях, представляющих собой обширные галереи большой протяженности (до нескольких километ­ ров), с пролетами 12— 17 м.

Производственные предприятия США размещены в со­ ответствующих горных выработках, главным образом из­ вестняковых, в том числе и подготовленных по заданным параметрам при разработке месторождений.

В России на рудниках с вертикальным вскрытием, где ра­ боты производятся с использованием мощной крупногабарит­ ной техники, ее ремонт ведется в подземных мастерских.

Известны примеры размещения дробильных предприятий в горных выработках в разных странах (США, Чили, ЮАР).

Как уже говорилось, кроме объектов, целиком располо­ женных в подземном пространстве, известны компоновоч­ ные схемы, когда общим блоком подсобно-вспомогатель-

39

ного производства объединены цехи наземного и подземно­ го производства. Возможно размещение для одного объекта основных и подсобных производств как в наземной части здания, так и под землей. Так, в прецизионном корпусе стан­ ко-инструментального завода «Красный пролетарий» в Мо­ скве, используя существующий рельеф, в цокольном этаже (высотой 8,5 м) размещены основные и вспомогательные производства.

ИНЖЕНЕРНЫЕ КОММУНИКАЦИИ

Инженерные подземные сети — основные элементы хо­ зяйства современных городов, включающие в себя трубо­ проводы различного назначения, общие коллекторы под­ земных сетей и другие объекты. Энергия, вода, тепло, связь и большая часть городских отходов транспортируются по подземным коммуникациям. Среди основных инженерных коммуникаций, определяющих нормальные условия функ­ ционирования большого города, в первую очередь необхо­ димо выделить следующие: питьевое и хозяйственное водо­ снабжение, ливневая и бытовая канализация, линии тепло­ фикации, газопроводы, электропроводы, линии связи.

Подземные инженерные коммуникации ранее обычно размещались в отдельных и сборных траншеях. В настоящее время укладка коммуникаций в сборных траншеях рассмат­ ривается как переходная форма к коммуникациям, разме­ щенным в проходных тоннелях (коллекторах), так как тран­ шейное расположение коммуникаций ведет к большому эко­ номическому ущербу, возникающему вследствие многок­ ратного разрытия дорог при ремонте существующих и про­ кладке новых трубопроводов, уменьшения пропускной спо­ собности улиц, дополнительных затрат по восстановлению дорожного покрытия и др.

Основными преимуществами проходных коллекторных тоннелей являются:

♦исключение необходимости разборки дорожных по­ крытий при повреждении коммуникаций;

♦сокращение степени разрушения коммуникаций от внешней коррозии, от динамических нагрузок, вызван­ ных движением транспорта;

40

♦ возможность изменения мощностей отдельных ком­ муникаций в период эксплуатации в действующем кол­ лекторе.

Глубина и сечение коллекторных тоннелей определяются типом укладываемых коммуникаций, размерами и числом последних.

Коллекторные тоннели, как показывает отечественный и зарубежный опыт, могут иметь профили следующих сечений:

♦круглого;

♦криволинейного (парабола, гипербола, арочная);

♦квадратного и прямоугольного;

♦оригинального.

К объектам инженерного оборудования современных городов относятся: тепловые пункты, котельные, газовые распределительные и раздаточные станции, автоматические телефонные станции, очистные и водозаборные сооружения, станции перекачки (насосные), которые, как правило, функ­ ционируют в наземном исполнении.

В России в последнее время получило некоторое распро­ странение строительство подземных газорегуляторных уз­ лов-пунктов (ГРП), размещение которых под землей защи­ щает их от повреждений, улучшает архитектурно-компо­ зиционный ансамбль застройки. В настоящее время строи­ тельство таких ГРП не производится.

ВМоскве имеется несколько примеров строительства котельных подземного типа с размещением над ними спор­ тивных площадок.

Вразличных районах нашей страны функционируют во­ допроводные насосные станции, канализационные станции перекачки сточных вод. Так, во Владивостоке построены полуподземные и подземные центральные тепловые пункты.

Широкое распространение за рубежом получило разме­ щение объектов инженерного оборудования в подземных этажах жилых и общественных зданий. Так, в Гамбурге (Гер­ мания) в двухъярусных подвалах размещены отопительные установки, установки для сжигания мусора, трансформатор­

41

ные подстанции, оборудование для горячего и холодного водоснабжения, кондиционирования, подогрева и подачи воды, мусоросборники и пр.

ПОДЗЕМНЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДПРИЯТИЯ

Значительное место среди промышленных подземных объектов занимают гидротехнические сооружения и подзем­ ные электростанции: ГЭС (гидравлические), ТЭС (теп­ ловые), АЭС (атомные), ГАЭС (гидроаккумулирующие), ACT (атомные станции теплоснабжения). Технические во­ просы сооружения подземных объектов подробно освещены в литературе.

Общее число подземных ГЭС, эксплуатируемых в раз­ ных странах мира, около 350, суммарная мощность которых составляет 40 млн кВт. В литературе отмечается экономиче­ ская целесообразность такого строительства.

ТЭС строятся в подземном исполнении, как правило, из оборонных соображений. В Маергейме (Германия) была по­ строена подземная ТЭС, обеспечивающая энергией про­ мышленный комплекс района. В г. Порциг (Франция) в кри­ сталлических сланцах и гранитах сооружена ТЭС мощно­ стью 40 тыс. кВт, служащая для обеспечения электро­ энергией морского порта. Машинный зал ее расположен на глубине 30—40 м, имеет протяженность 83 м, ширину 20 м и высоту 24 м.

С ростом атомной энергетики представляет интерес строительство подземных АЭС. Технологические схемы под­ земных АЭС различны. В ряде случаев в подземных камерах устанавливаются реакторы, турбогенераторы, вспомога­ тельное оборудование, а также оборудуются хранилища ра­ диоактивных отходов. Иногда под землей устанавливаются только ядерные реакторы.

ГАЭС входят в состав энергосистем и являются ма­ невренными энергетическими установками, накапливаю­ щими в ночные часы избыточную энергию малорегули­ руемых атомных и мощных тепловых электростанций и расходующими ее в часы максимального электропотреб­ ления.

42

В настоящее время в 35 странах мира построены около 300 ГАЭС, большинство из которых имеет подземное раз­ мещение машинного зала. Установленная мощность самой крупной ГАЭС Бат Каунти (США) достигает 2100 тыс. кВт. Наибольшие аккумулирующие мощности сосредоточены в Японии и США. В Нидерландах разработан предваритель­ ный проект подземной двухступенчатой ГАЭС.

На территории бывшего СССР действует Киевская ГА­ ЭС, Загорская, Центральная и др. Изучена возможность ис­ пользования для гидроаккумулирования отработанных ка­ мер действующей шахты им. Губкина комбината КМАруда.

Возможно использование полостей как подземных ак­ кумуляторов энергии. Аккумуляцию энергии в подземном пространстве целесообразно проводить путем нагнетания в водоносные горизонты холодной и горячей воды.

Впервые геотермальные электростанции были построе­ ны в Италии в районе Лардерелло. Сейчас они довольно широко распространены в США, Японии, Новой Зеландии, Австралии, Исландии и других странах. В России первая геотермальная электростанция была построена на Камчатке. Во Франции созданы опытно-промышленные подземные системы, связанные аккумулированием тепла низкого и вы­ сокого потенциала. В США созданы десятки систем подзем­ ного аккумулирования тепла для теплоснабжения и конди­ ционирования зданий.

ПОДЗЕМНЫЕ ТРАНСПОРТНЫЕ СООРУЖЕНИЯ

Автомобильные тоннели

Почти во всех крупных городах эксплуатируются и строятся транспортные тоннели. При устройстве транспорт­ ных пересечений в разных уровнях степень загрязнения воз­ духа значительно снижается благодаря искусственной венти­ ляции и отведению выхлопных газов из транспортных тон­ нелей на большое расстояние на соответствующей высоте.

Расположенные под землей во многих городах предпри­ ятия или торговые центры требуют создания подъездных пу­ тей для снабжения товарами и материалами, в основном для

43