Освоение подземного пространства. Подземное пространство — город растет вглубь

Лекция №1. Состояние и перспективы освоения подземного пространства.

Подземное строительство имеет почти столь же долгую историю, как история человечества. Первобытные люди использовали в качестве жилищ естественные пещеры. Позднее, в бронзовом веке, появились выработки для добычи руд, драгоценных металлов и камней. Древние цивилизации Египта, Индостана оставили после себя впечатляющие памятники подземного зодчества – храмы, подземные лабиринты усыпальниц фараонов. В городе Петра (Иордания) до сих пор сохранились вырубленные в красном песчанике культовые сооружения и жилища. В римской империи подземное строительство достигло высокого уровня. До сих пор в Европе функционируют несколько дорожных и гидротехнических тоннелей, построенных руками рабов по проектам римских инженеров. Дренажный тоннель у озера Фучино (Италия) имеет длину 5,6 км и сечение 1,8´З м.

Проходку тоннелей в скальных породах вели следующим образом. В забое тоннеля разжигался сильный костер, затем раскаленную грудь забоя поливали холодной водой. От сильных термических напряжений породы трескались на небольшую глубину и поддавались разборке ручным инструментом.

Подземное строительство продолжало развиваться и в Средние века. Системы оборонных сооружений крепостей и замков непременно содержали подземные ходы. При штурме Казани войска Ивана Грозного применили минный заряд, заложенный в штольне, которая была пройдена под городской стеной. Средневековые горные выработки, например соляные шахты Величка в Польше, удивляют современных инженеров своей устойчивостью, обязанной мастерству, «чувству камня» их строителей. Средневековые системы водоснабжения и канализации функционируют до сегодняшнего дня во многих городах Европы и Азии. Подземные пещеры Киево-Печерской Лавры свидетельствуют, что средневековая церковь считала подземное пространство вполне пригодным для жизни монахов, а не только обиталищем «нечистых сил».

Эпоха промышленной революции дала новые возможности для ведения подземного строительства – мощные взрывчатые вещества, механические способы бурения, погрузки, транспортирования пород. Одновременно возросли потребности в различного вида подземных сооружениях. Начиная с середины XIX века ведется строительство железнодорожных тоннелей: тоннель Мон-Сенис длиной 12850 м между Францией и Италией построен в 1875–71 гг., Сен-Готард длиной 14984 м – в 1872–82 гг. и Симгаюнский длиной 19780 м – в 1898–1906 гг. между Италией и Швейцарией. В России первый железнодорожный тоннель длиной 1280 м построен в 1868 г.; Сурамский тоннель длиной 3998 м, построенный в 1886–90 гг., до строительства Байкало-Амурской магистрали оставался самым длинным тоннелем СССР.

Широкое распространение получила подземная добыча угля, руд. Был построен даже ряд подземных тоннелей - каналов для пропуска судов через водораздельные участки, в том числе Ронский тоннель на водной магистрали Марсель – Рона (Франция) длиной 7118 м с размерами поперечного сечения 24,5´17,1 м.

С начала XX столетия возросла роль подземного строительства в урбанистике. Почти одновременно в ряде европейских столиц и крупнейших городах Америки прокладываются городские подземные транспортные артерии - метрополитен. С развитием военной авиации перед второй мировой войной в европейских городах приступили к строительству бомбоубежищ, а в Германии были построены подземные военные заводы.

В настоящее время, к рубежу XX и XXI столетий, подземные и заглубленные сооружения стали полноправным элементом городской застройки, присутствуют во многих технологических комплексах.

Подземные сооружения играют важную роль в охране окружающей среды, помогая сберегать поверхность земли. К достоинствам подземных помещений относятся защищенность от атмосферных воздействий, возможность поддержания желаемого температурного режима при низких энергетических затратах. Подземное помещение уменьшает или сводит к нулю связь размещенных в нем объектов с окружающей средой, поэтому там целесообразно размещать вредные и опасные производства.

Объем подземного строительства (без учета выработок горнодобывающей промышленности) в ряде развитых капиталистических стран характеризовался за последние десятилетия следующими цифрами, млн. м 3:

Учитывая малую численность населения Швеции, ее следует признать страной с самым интенсивным подземным строительством: за десятилетие (1970–80 гг.) там построено 4,5 м 3 подземного пространства на каждого жителя. Общий объем подземного строительства в Швеции распределяется приблизительно следующим образом: электростанции – 50 %, транспорт (тоннели, гаражи) – 5 %, коммуникации – 5 %, нефтехранилища – 40 %.

Раздел «Подземные сооружения» курса «Основания, фундаменты и подземные сооружения» является новым для студентов специальности «Промышленное и гражданское строительство». В отличие от курсов «Подземные сооружения", читаемых в горных и гидротехнических вузах, в данном курсе наибольшее внимание уделено подземным сооружениям малого заглубления, являющимся элементами промышленных комплексов или городской урбанистики.

Лекция № 2-3. Классификация и конструкции подземных сооружений.

Классификация.

По назначению выделяют подземные сооружения: коммунально-бытового назначения (подвальные этажи зданий, подземные гаражи, подземные склады магазинов, подземные холодильники, хранилища продуктовых товаров, подземные кинотеатры, и т. д.);

– промышленно-технологические сооружения (емкости очистных водопроводных и канализационных сооружений, заглубленные части дробильно-сортировочных цехов обогатительных фабрик, металлургических производств, подземные атомные котельные и т. д.);

– сооружения гражданской обороны и оборонные (убежища различных классов, командные пункты, шахты для хранения и запуска баллистических ракет и т. д.); транспортные и пешеходные тоннели (горные автомобильные и железнодорожные тоннели для преодоления высоких перевалов, подводные тоннели под реками и морскими проливами, тоннели метрополитена, городские автомобильные и железнодорожные тоннели, пешеходные подземные переходы);

– тоннели городских коммунальных сетей (канализационные, тоннели-коллекторы для прокладки силовых, телефонных кабелей, водопровода и др.);

– гидротехнические подземные сооружения (напорные тоннели, камеры машинных залов ГЭС, подземные бассейны гидроаккумулирующих электростанций);

– выработки для добычи полезных ископаемых (для добычи угля – шахты, руды – рудники);

– хранилища нефтепродуктов и газов, ядовитых и радиоактивных отходов.

Подземные сооружения могут размещаться: в комплексе с надземными зданиями; в сочетании с подземными инженерно-транспортными сооружениями: в специально проводимых выработках под улицами, площадями, скверами; в специальных выработках за чертой города: в отработанных горных выработках.

По глубине заложения подземные сооружения разделяют на заглубленные, малой глубины заложение, глубокие. Над заглубленными сооружениями нет слоя грунта, они перекрыты сверху искусственными конструкционными материалами или вообще представляют собой подземную часть здания.

Над подземными сооружениями малой глубины заложения имеется слой грунта до 10 м. Вес объектов, расположенных па поверхности, вносит свой вклад в давление грунта на обделку подземных сооружений малой глубины заложения.

Подземные сооружения большей глубины заложения относят к разряду глубоких. Давление на обделку этих сооружении уже не зависит от обстановки на поверхности, а определяется только свойствами окружающих пород и глубиной заложения.

Выделяют следующие способы строительства подземных сооружений малой глубины заложения и заглубленных (рис. 2.1):

Котлованный. Этот способ используется при строительстве заглубленных сооружений малой глубины заложения. В грунте отрывается котлован, на дне которого, как на поверхности, возводится сооружение. После завершения строительства котлован засыпается грунтом.

Опускного колодца. Этим способом строятся заглубленные сооружения. При этом боковые ограждающие стены сооружения возводятся на поверхности. Грунт из средней части послойно удаляется, и стены сооружения опускаются в грунт.

«Стена в грунте» Этим способом также возводятся заглубленные сооружения. С поверхности по контуру сооружения отрывается узкая траншея па глубину сооружения. Для обеспечения устойчивости стен траншея заполняется глинистым раствором. Траншея откапывается частями и заполняется бетоном Выемка грунта производится уже под защитой возведенных стен сооружения.

«Горный (закрытый) способ строительства. Строительство тоннелей и других глубоких сооружений ведется подземными способами и включает (рис. 2.2.): отделение породы от массива (отбойку, резание); погрузку ее на транспортные средства; транспортировку; устройство временной крепи, обеспечивающей безопасность работы в забое; возведение постоянной обделки, обеспечивающей устойчивость и водонепроницаемость выработки.

Способы проходки тоннелей делятся на горные и щитовые. В горных способах все операции (отбойка, погрузка, транспорт, возведение временной крепи и постоянной обделки) расчленены и выполняются в циклическом режиме с применением различных средств механизации. В щитовых способах проходки резание пород, погрузку и возведение постоянной обделки выполняют механизмы, объединенные в одном агрегате–проходческом щите, роль временной крепи выполняет специальный подвижный элемент – собственно щит. Тоннели мелкого заложения могут строиться и котлованным способом.

Заглубленные жилые дома

Многие сотни тысяч лет первобытный человек использовал в качестве жилищ природные или специально открытые пещеры, всегда обращался к земле, чтобы укрыться от неблагоприятных климатических условий. Лишь исторически непродолжительная эра доступного и дешевого топлива позволила строить возвышающиеся над уровнем земной поверхности тонкостенные дома и снабжать эти энергетически неэкономичные дома теплом. Теперь, когда количество природного топлива сокращается, настало время пересмотреть взгляды на строительство.

В США, Канаде, ряде других стран начинает развиваться строительство заглубленных домов с земляной теплозащитой. В конце 70-х годов около 5 % новых индивидуальных домов в США строилось в заглубленном исполнении; наблюдается тенденция роста этой величины, особенно в районах с суровыми зимами. К преимуществам заглубленных жилищ, как и других подземных сооружений, относятся сокращение энергетических затрат на отопление зимой и охлаждение летом, сокращение затрат на наружный ремонт, лучшая звукоизоляция, устойчивость против штормовых воздействий. Проектирование заглубленных жилищ предусматривает множество различных способов сохранения энергии, например, пассивное использование солнечной энергии, рекуперацию тепла из вентиляционных выбросов и канализационных стоков и др. Нет сомнения, что грандиозная программа обновления жилья в сельских местностях СССР представляет исключительные возможности для развития этого вида жилищного строительства.

Основные типы заглубленных жилищ в условиях плоского падающего рельефа приведены на рис. 1.21. Дом атриумного типа (рис. 1.21, а) находится полностью ниже уровня земли, имеет внутренний дворик, в наибольшей степени защищен от ветров. Недостатком его является отсутствие вида на местность из окон, выходящих во внутренний двор. Обычно атриумная планировка применяется в условиях теплого климата. В условиях равнинной местности с суровым климатом чаще всего возводятся полузаглубленные дома (рис. 1.21, б). «Падающий рельеф» холмистой местности наиболее благоприятен для строительства заглубленных домов (рис. 1.21, в и г). В таких условиях возможно строительство одно- и двухэтажных домов; при этом отсутствует основной недостаток заглубленных жилищ в условиях равнинной местности: ограничение вида на местность, что является довольно существенным эстетическим и психологическим фактором.

Правильная ориентация здания по отношению к солнцу и ветру может обеспечить значительную дополнительную экономию энергии. Энергия солнечной радиации может быть использована для получения тепла в активной и пассивной форме. Большинство активных систем использования солнечной энергии имеют плоские коллекторы, устанавливаемые непосредственно на здание или по соседству с ним. Так системы не предъявляют жестких требований к ориентации здания. Прогрев помещения солнцем через окна называется пассивным использованием солнечной энергии; наибольший эффект при этом достигается при ориентировке окон на юг. В северном полушарии наибольшие теплопотери зимой связаны с ветрами северных румбов, так что ориентация оконных и дверных проемов заглубленного жилища на юг обеспечивает и наилучшую защиту от ветра.

Геомеханические процессы.

Строительство горных выработок и подземных сооружении вызывает нарушение начального напряженно-деформированного состояния породных массивов. Возникающие в результате этого механические процессы деформирования приводят к формированию нового равновесного напряженно-деформированного состояния породных массивов в окрестности выработок. Новое поле напряжений и деформаций условно будем называть полным, имея в виду, что оно сформировалось в результате наложения на начальное поле дополнительного поля напряжений и деформаций, образовавшегося при сооружении выработки.

Знание основных закономерностей деформирования породного массива позволяет прогнозировать возможные реализации механических процессов. Сложность этой задачи определяется прежде всего большим числом влияющих факторов. В общем случае породный массив представляет собой дискретную, неоднородную, анизотропную среду, механические процессы деформирования в которой носят нелинейный временной характер. Кроме геологических факторов большое влияние оказывают инженерно-технические условия строительства и, в частности, форма и размеры выработок, их ориентация в массиве, способ проходки и поддержания, технология крепления и др.

Очевидно, что при одновременном учете всех этих факторов аналитическое описание закономерностей процесса формирования напряженно-деформированного состояния практически невозможно. Вместе с тем многолетний опыт и знания, накопленные в механике горных пород, показывают, что при любом сочетании влияющих факторов всегда может быть выделен один-два главных, имеющих определяющее значение для характера реализации механических процессов. Так, например, при строительстве тоннеля в скальных породах из всех факторов главнейшим будет трещиноватость пород. Именно она обусловливает в данном случае реализацию механических процессов в виде локальных вывалов или сплошного сводообразования. В качестве другого при мера можно привести случай, когда определяющими факторам» будут форма и размеры выработки. Так, в кровле очистной горной выработки прямоугольной формы, имеющей ширину, значительно большую, чем высоту, возникают опасные для ее эксплуатации растягивающие напряжения. Число подобных примеров, можно было бы продолжить.

Все вышесказанное позволяет определить методический подход к изучению основных закономерностей процесса формирования напряженно-деформированного состояния породного массива вокруг горных выработок.

Вначале предлагается рассмотреть простейшую задачу, ее решение принять за базовое, а затем в сравнении с этим решением изучить влияние различных естественных (природных) и искусственных (технологических) факторов на напряженно-деформированное состояние породного массива.

В качестве такой базовой задачи рассмотрим полное поле напряжений в окрестности горизонтальной протяженной горной выработки кругового поперечного сечения,пройденной на достаточно большой глубине в сплошном однородном изотропном породном массиве с равнокомпонентным начальным напряженным состоянием q, предполагая линейную физическую зависимость между напряжениями и деформациями, т. е. рассматривая породный массив как линейно-деформируемый. Будем предполагать, что реактивный отпор крепи р равномерно распределен по контуру выработки. В такой постановке граничные условия имеют вид

s r = p при r = 1 при r à ¥. (7.1*)

Решая соответствующую задачу теории упругости в постановке плоской деформации при m = 0.5, получаем в цилиндрической системе координат (r , q – в плоскости поперечного сечения выработки, z – продольная ось выработки) следующие полные-напряжения:

и безразмерные смещения

(7.2)

где s q , s r – соответственно тангенциальное (окружное) и радиальное нормальные напряжения; s z – нормальное напряжение в направлении продольной оси выработки; t r q , t rz , t qz – касательные напряжения; и – безразмерные радиальные смещения; Е – модуль деформации горных пород; r – безразмерная радиальная координата рассматриваемой точки породного массива, выраженная в единицах радиуса выработки, в проходке R b .

Соответствующее начальное поле напряжений характеризуется компонентами

а дополнительное поле напряжении – компонентами

Для наглядности распределение компонентов s q и s r полного (сплошные линии), начального (штрихпунктирные линии) и дополнительного (пунктирные линии) полей напряжений показано на рис. 7.1.

Окружающие выработку породы имеют ограниченную несущую способность, т. е. способность сопротивляться увеличению напряжений, и могут деформироваться без разрушения в определенных пределах. Поэтому следствием сформировавшегося в результате проведения выработок нового напряженно-деформированного состояния могут быть процессы разрушения горных пород, проявляющиеся в одних породах в виде хрупкого разрушения, в других – в виде пластического течения. В результате вокруг выработки образуются области запредельного состояния и полного (руинного) разрушения, которые могут охватывать весь контур выработки или отдельные его части. Деформируемость разрушенных пород повышается, а это в свою очередь вызывает значительное увеличение смещений породного контура.

Таким образом, образование в породном массиве частично или полностью разрушенных областей пород является одной из форм реализации механических процессов деформирования пород или, как принято говорить, одной из форм проявления горного давления. Частичное или сплошное сводообразование, значительные смещения породного контура, т. е. основные источники формирования нагрузок на конструкции подземных сооружений, являются следствием процессов разрушения. Поэтому знание основных закономерностей разрушения поре вокруг выработок необходимо для качественной и количественной оценки возможных проявлений горного давления и, следовательно, и научно обоснованного выбора способов и средств борьбы с этими проявлениями.

Как уже отмечалось ранее, разрушение пород протекает различно как в виде хрупкого разрушения, так и путем пластического деформирования. Поэтом для математического анализа механических процессов разрушения используются различные геомеханические модели.

В хрупкоразрушающихся породах образование области предельного равновесия может привести к нарушению сплошности массива на внешней границе этой области, что математически выражается в виде неравенства тангенциальных нормальных напряжений, действующих по обе стороны от указанной границы, процессе разрушения изменяются механические характеристики пород в области предельного равновесия и, в частности, прочность пород на сжатие уменьшаете до величины остаточной прочности. Этому случаю соответствует модель идеально-хрупкой среды, определяемая диаграммой деформирования Оаb (рис. 8.1) физическим уравнением (5.69) на запредельном участке деформирования.

В пластичных породах образование области предельного равновесия может происходить без столь заметных разрушений, как в хрупких, и проявляется в виде пластического течения без разрывов сплошности. При этом в определенном диапазоне деформации существенного изменения механических характеристик не происходит. Это позволяет использовать в данном случае модель идеалы» пластичной среды, показанную на рис. 8.1 в виде диаграммы Оас , и физическое уравнение (5.67) на запредельном участке деформирования.

Нагрузки и воздействия.

Расчеты при проектировании колодцев должны производится на нагрузки и воздействия, которые определяются условиями строительства и эксплуатации сооружения (рис. 1).

Расчетные значения веса стен G 0 , кН, днища G д, кН и тиксотропного раствора G т , кН определяются по проектным размерам элементов, принимая вес железобетонных конструкций в соответствии с требованиями главы СНиП по проектированию бетонных и железобетонных конструкций (II).

Горизонтальное давление грунта на колодец формируют следующие нагрузки:

а) основное давление грунта определяется как давление грунта в состоянии покоя по формуле:

, (1)

где g – удельный вес грунта, кН/м 3 ;
z – расстояние от поверхности грунта до рассматриваемого сечения, м;
j – угол внутреннего трения грунта.

Для колодцев, погружаемых ниже уровня грунтовых вод, удельный вес грунта принимается с учетом взвешивающего действия воды, т. е.

где g s – удельный вес частиц грунта, кН/м 3 ;
g w – удельный вес воды, принимается 10 кН/м 3 ;
e – коэффициент пористости грунта.

б) основное давление тиксотропного раствора в период погружения колодца определяется по формуле:

где g 1 – удельный вес тиксотропного раствора, кН/м 3 .

в) дополнительное давление грунта, вызываемое наклоном пластов:

где a – коэффициент, зависящий от наклона пластов (принимается по (2), с. 14).

г) гидростатическое давление грунтовых вод, учитываемое во всех грунтах, кроме водоупорных:

, (5)

где h b – расстояние от поверхности грунта до уровня грунтовых вод, м.

д) дополнительное давление от сплошной вертикальной равномерно-распределенной вокруг сооружения нагрузки q:

, (6)

е) дополнительное давление от вертикальной сосредоточенной нагрузки <2 или от нагрузки, равномерно распределенной по прямоугольной площади поверхности. Определяется по рекомендациям работы (2), с. 19-24.

Усилия трения ножа колодца по грунту определяются по формуле:

, (7)

где т –коэффициент условий работы. При расчете на всплытие т = 0.5, на погружение m = 1;

и –наружный периметр ножа колодца, м,

h u – высота ножа, м;

f – сопротивление грунта по боковой поверхности ножевой части, кПа. Определяется по таблице (/2/, с. 17). Для ориентировочных расчетов можно принять (при погружении колодца на глубину до 30 м):

– пески гравелистые, крупные и средней крупности 53 – 93

– пески мелкие и пылеватые 43-75

– суглинки и глины твердые и полутвердые 47 – 99

– супеси твердые и пластичные, суглинки и глины туго- и мягкопластичные 33 – 77

– супеси, суглинки и глины текучие и текучепластичные 20 – 40

усилия трения стен колодца в зоне тиксотропной рубашки определяются по формуле:

, (8)

где Н т –высота тиксотропной рубашки, м;
Т° –удельная сила трения стен колодца в зоне тиксотропной рубашки, принимается 1–2 кПа. При расчете на всплытие (после тампонажа щели тиксотропной рубашки цементно-песчаным раствором) 40 кПа.

Усилия сопротивления грунта под банкетной ножа определяются по формуле:

где R – расчетное сопротивление грунта основания, принимается в соответствии с рекомендациями работы /12/, с. 37 (табл. 1-5); F u – площадь подошвы ножа, м 2 .

Расчет колодца.

Расчет погружения колодца производится из условия:

, (10)

где G –вес колодца и пригрузки с учетом коэффициента надежности по нагрузке g f = 0,9;
g f1 –коэффициент надежности погружения: g f1 > 1 –в момент движения колодца, g f1 = 1 – в момент остановки колодца или яруса на проектной отметке.

Колодцы, погружаемые ниже уровня грунтовых вод, после устройства днища должны рассчитываться на всплытие в любых грунтах (за исключением случая, когда под днищем выполняется дренаж) на расчетные нагрузки из условия:

, (11)

где SG – сумма всех постоянных вертикальных нагрузок с учетом пригрузки с коэффициентом надежности по нагрузке g f = 0,9;
F g –площадь днища, м 2 ;

h w –расстояние от низа днища до уровня грунтовых вод, м;

g fw – коэффициент надежности против всплытия, равный 1,2.

Примеры расчета.

Рассчитать колодец с внутренним диаметром 20 м, глубиной 30 м, на нагрузки и воздействия, возникающие в условиях строительства (рис. 2 а). Колодец погружается в тиксотропной рубашке (g 1 =15.0 кН/м 3) с применением водопонижения. Грунты однородные, представлены суглинком тугопластичным (g = 16,6 кН/м 3 , g s = 26,8 кН/м 3 , e = 0,7, j = 18°, с = 17 кПа).

На основании исходных данных определяем вес стен колодца:

G 0 = 3,14×(10,6 2 – 10,0 2)×30×25 =29108 кН.

Основное давление тиксотропного раствора в период погружения (3):

– на отметке 0,00 Р r – 0;

– на отметке 28,00 Р r = 15×28 = 420 кПа.

Дополнительное давление от сплошной вертикальной нагрузки q = 20 кПа (6):

P g = 20×tg 2 (45-18/2) = 10,5 кПа.

По полученным значениям строим эпюру давлений (рис. 2а). Усилия трения ножа колодца по грунту (7):

T u =1×2×3,14×10,8×2×77 = 10445 кН.

Усилия трения стен колодца в зоне тиксотропной рубашки (8):

T m =1×2×3,14×28×2 = 352 кН.

Суммарные усилия трения:

T = T u + T m =10445 + 352 = 10797 кН.

Усилия сопротивления грунта под банкеткой ножа (9):

R u = 3,14×(10,8 2 – 10,6 2) ×200 = 2688 кН.

Расчет погружения колодца выполним по формуле (10):

Погружение колодца обеспечено.

Основное давление грунта (1):

– на отметке 0.00 Р r,о = 0;

– на отметке 19.00 (уровень грунтовых вод):

– на отметке 30.00:

Гидростатическое давление грунтовых вод (5):

Дополнительное давление от сплошной вертикальной нагрузки = 20кПа (6):

По полученным значениям строим эпюру давлений (рис. 2 б).

Усилия трения ножа колодца по грунту (при расчете на всплытие) (7):

Усилия трения стен колодца по грунту после выполнения тампонажа щели цементно-песчаным раствором (при расчете на всплытие) (8):

Расчет колодца на всплытие выполним по формуле (11) с учетом веса днища

G g = 3.14×10.8 2 ×1.8×25 = 16481 кН.

Пригрузка колодца не требуется.

Дренаж и водоотлив.

Обводненность грунтов в процессе строительства вызывает технологические сложности. В процессе эксплуатации подземного сооружения подземные воды порождают архимедову силу взвешивания, которая при недостаточной нагрузке сверху может привести к всплытию сооружения. Кроме того, даже при самых надежных видах гидроизоляции вода проникает в подземное сооружение. Дренаж – это система дрен и фильтров, собирающих подземную воду и отводящих ее от котлована или сооружения, а водоотлив – откачивающая система (насосы, трубопроводы).

При пересеченном рельефе возможно устройство самотечного дренажа, если в доступной близости проходит канализационный коллектор на глубине, большей глубины заложения дренажных устройств. Во всех остальных случаях дренаж требует подъема уловленной воды на поверхность с помощью водоотлива. Поскольку водоотлив связан с потреблением электроэнергии, и в случае перерывов в ее подаче обводненность массива может быстро измениться, на эксплуатационный период обычно не предусматривается дренаж грунта с водоотливом, и сооружение рассчитывается на работу при естественном режиме подземных вод. В процессе строительства сооружения – напротив, как правило, стремятся к полному осушению котлована.

Щитовой способ.

Для разработки грунта широко применяют проходческие щиты, представляющие собой передвижную крепь, позволяющую под защитой разрабатывать грунт и возводить обделку. Формы поперечного сечения щитов – круговая, сводчатая, прямоугольная, трапецеидальная, эллиптическая и пр. По способу рыхления различают немеханизированные и механизированные щиты. В первом случае грунт разрабатывают вручную или с применением ручных инструментов, во втором все операции полностью механизированы и выполняются специальным рабочим органом. Проходческий щит кругового очертания представляет собой стальной цилиндр, состоящий из ножевого и опорного колец, а также хвостовой оболочки (см. рис. 1).

Ножевое кольцо подрезает грунт по контуру выработки и служит для защиты работающих в забое людей. При проходке в мягких – грунтах оно имеет уширенную верхнюю часть – аванбек, а в слабых – предохранительный козырек. Опорное кольцо вместе с ножевым – основная несущая конструкция щита. По периметру опорного кольца равномерно располагаются щитовые домкраты, служащие для передвижения агрегата. Хвостовая оболочка закрепляет контур выработки в месте возведения очередного кольца обделки.

Немеханизированные щиты оснащают горизонтальными и вертикальными перегородками, выдвижными платформами, а также забойными и платформенными домкратами.

Работы по щитовой проходке начинают с монтажа щитов и оснащения их необходимым оборудованием. В зависимости от вида подземного сооружения, глубины его заложения и инженерно-геологических условий щиты собирают в открытых выемках или котлованах, опускают целиком через шахтный ствол или внутри камеры либо монтируют в специальных подземных камерах.

Технология щитовой проходки зависит главным образом от типа щита, свойств грунта и вида обделки. При проходке немеханизированными щитами разработку, погрузку и транспортирование грунта производит так же, как при горном способе работ с применением стандартного горнопроходческого оборудования (бурильные молотки, погрузочные машины, вагонетки, электровозы и пр.). Успешно применяют проходческие щитовые комплексы КТ 1-5,6; ТЩБ-3, КМ-19, КТ-5,6Б2, которые состоят из щитового агрегата и оборудования для выполнения горнопроходческих, монтажных, гидроизоляционных и вспомогательных работ. Уровень механизации щитовых комплексов достигает 90...95 %, а скорости проходки тоннелей диаметром 5...6 м составляют 300...400 м в месяц и более.

Схемы механизации щитовых работ отличаются способами разработки грунта, крепления кровли и лба забоя, все остальные операции по погрузке и транспортированию грунта, по возведению и гидроизоляции обделки выполняют аналогично. Из забоя щита грунт поступает на магистральный транспортер-перегружатель, в конце которого помещается бункер с двумя затворами, что позволяет выгружать грунт в вагонетки. На мосту закреплены толкатели нижнего или верхнего действия, при помощи которых перемещаются отдельные вагонетки, тележки с блоками, пневмобетоноукладчики и т. п.

По мере разработки грунта выработку крепят арочной, анкерной, набрызг-бетонной, комбинированной временной контурной крепью (рис. 2). Арочную крепь устраивают из металлических прокатных профилей (двутавры, швеллеры, трубы), изогнутых по контуру выработки. Каждая арка состоит из двух или четырех элементов, соединяемых на болтах. Арки устанавливают с шагом 0,8...1,5 м, опирая на грунт через деревянные подкладки и раскрепляя деревянными или металлическими распорками. Пространство между арками затягивают досками, железобетонными плитами или гофрированным» стальными листами. В сводовой части устраивают сплошную затяжку, разбирая ее перед бетонированием. Крепь устраивают в виде анкеров, расположенных в пробуренных скважинах, «подвешивая» к ненарушенному массиву участок нарушенного грунта; применяют клиновые и распорные металлические анкеры с замковым устройством, железобетонные (набивные, нагнетательные и перфорированные), закрепляемые по всей глубине шпура, сталеполимерные анкеры, закрепляемые в шпурах эпоксидными или полиэфирными смолами и вступающие в совместную работу с окружающим массивом через 1...2 ч после установки.

В выработках большого размера используют предварительно напряженные анкеры, которые заделывают в д

Целенаправленное использование подземного пространства городов имеет многовековую историю. Под землей предки располагали оборонительные и культовые сооружения, галереи тайных переходов, хранилища и жилье. Ниже поверхности земли особенно активно стали строить с развитием систем инженерного обеспечения. Трудно перечислить, что спрятано там, в современном городе. Однако все подземные сооружения можно объединить в пять групп.

Сети и оборудование инженерного обеспечения городской застройки относят к первой группе. Водопроводящие системы являются самыми распространенными. К ним причисляют инфраструктуры холодного и горячего водоснабжения, а также водоотведения: бытовой, ливневой и промышленной канализации.

В пределах городской застройки размещают не только трубопроводы сетей, но и оборудование. Очень часто его устанавливают в подземных сооружениях. Заглубляют под землю смотровые помещения, насосные и станции перекачки, котельные, бойлерные и тепловые пункты.

Под землей прокладывают системы паро- и газопроводов, снабженные специальным оборудованием, которое нередко прячут под землей. При необходимости строят резервуары для воды, других жидкостей и сжатых газов.

В инженерном хозяйстве городов особое место занимают системы электроснабжения и коммуникации электронной связи. Как правило, электроэнергию и потенциал слабых токов передают по металлическим или оптико-волоконным кабелям. Вместе с оборудованием трансформаторных, релейных телефонных и ретрансляционных станций их тоже заглубляют в землю.

В результате технического прогресса инженерные системы обновляются, получают дальнейшее развитие. Сегодня трудно предсказать, какое новое оборудование подарит городам XXI в. Например, уже сейчас существуют локальные системы пневмотранспорта твердых отходов. Они пока действуют в пределах квартала или жилой группы, перемещая мусор к накопительно-сортировочным и упаковочным станциям. Может быть, в дальнейшем через такие системы отходы будут транспортировать к мусороперерабатывающим заводам.

Объекты промышленности, технического, бытового и складского назначения часто размещают под землей. Существуют целые подземные заводы оборонного значения. Заглубляют отдельные цеха и лаборатории, которые нужно защитить от пыли и шума. Или наоборот, предотвратить засорения окружающей среды от производственных источников (например, радиации).

Рис. 14 Подземные торгово-пешеходные улицы:

а – продольный разрез по сооружению в г Норсбруке (США), б – то же, в г. Эдинбурге (Англия).

В целях экономии городских территорий под землей создают такие предприятия бытовою обслуживания, как прачечные и химчистки. Там же размещают склады. В городах широко распространены овощехранилища, холодильники, склады горюче-смазочных материалов, водо- и газохранилища.

Культурно-зрелищные учреждения, торговля и общественное питание являются наиболее притягательными для населения. Подземное пространство достаточно удобно для размещения учреждений этой группы. В помещениях эпизодического обслуживания отсутствие дневного света допустимо, поскольку не предусмотрено постоянное пребывание в них людей. Но при выборе проектного решения, как правило, рассматривают альтернативу: строить под землей или на поверхности.

Строительство подземных сооружений сопряжено с серьезными инвестициями, значительно превышающими капитальные вложения в наземные объекты. Однако завышение стоимости подземного строительства может быть экономически оправдано, и прежде всего, на плотно застроенных территориях Центра города где земля очень дорога. Кроме того, в земле требуется меньше энергии для обогрева помещений в холодный период года, что может привести к сокращению эксплуатационных затрат.

Под землей строят целые пешеходно-торговые улицы значительной протяженности. Как правило, галереи размещают в нескольких уровнях.
На рис. 14,а показан разрез такой структуры. Здесь горожане движутся вдоль сдаваемых в аренду торговых помещений прямыми путями от одного уровня к другому. Для перехода на галереи другого уровня устроены лестницы и пандусы, но имеются и пристенные декоративно оформленные лифты.

Эспланады освещают искусственно. Однако ядро, высота которого достигает двух ярусов получает и естественное освещение. Это позволило использовать в интерьере натуральные зеленые насаждения.

Разрез другого линейного сооружения, построенного под открытым рынком показан на рис. 14,6. В нем интересно обыграно сочетание старых зданий с новыми объемами. Вместо пандусов и лифтов использованы эскалаторы. Хотя покрытие имеет световые фонари, оно успешно используется, как территория рынка. Ввод в эксплуатацию торгово-пешеходного молла повысил привлекательность наземных магазинов и торговых павильонов.

Рис. 15 Компактный подземный центр в г Миннеаполисе (США), разрез по центральной части.

Рис. 16. Подземный торгово-рекреационный комплекс на Манежной площади в Москве (авторский коллектив под руководством архит.
М.М. Посохина):

а – разрез; б – план; 1 – вход из вестибюля станции метро, 2 – то же, с поверхности площади.

В практике градостроительства имеет место устройство компактных моллов. Разрез одного из них изображен на рис. 15. Сооружение представляет трехуровневую систему, два из которых являются рабочими, а нижний используется как складской. Он снабжен рампами для грузового транспорта с товарами.

Рис. 17. Подземная транспортная магистраль в сложившейся застройке:

а – проложенная под зданиями, б – то же, под прогулочной эспланадой; 1 – стальные трубы с монолитным железобетонным сердечником уложенные методом продавливания; 2 – вертикальные конструкции, выполненные методом «стена в грунте»; 3 – габариты существующих фундаментов; 4 – анкерные крепления кустами свай; 5 – подпорная стоил набережной, 6 – дренирующий слой; 7 – коллектор для коммуникаций; 8 –дополнительно заглубленные фундаменты.

Центральный дворик прямоугольной формы, несколько вытянутый между Двумя рядами магазинов, имеет одну особенность. Его легкая стальная крыша приподнята нал покрытием этих магазинов, что создает возможность осветить помещения естественным светом через фонари.

Рис. 18. Проект реконструкции Тверской улицы в Москве Фрагмент разреза с использованием подземного пространства под проезжую часть и для размещения стоянок (Мастерская №2 Моспроекта-2).

Многие весьма разнообразные сооружения дорожно-транспортной группы убирают под землю, преследуя две цели. Во-первых, сократить пагубное влияние шума на городскую среду, во-вторых, достичь экономии площадей, занятых транспортными коммуникациями.

Движение транспорта на пересечениях улиц и перегонах между перекрестками организовывают, строя эстакады и тоннели. Рассмотрим методы устройства подземных сооружений. На перегонах проезды прокладывают под землей в определенных случаях. Например, когда на плотно застроенной территории спрямляют трассу или сквозь застройку пробивают новую скоростную магистраль. На рис. 17,а показан один из вариантов устройства тоннеля в охранной зоне историко-архитектурной среды города.

Он несет двоякую функцию. С одной стороны, в его пределах объединено разностороннее движение транспорта, которое осуществляется по двум параллельным улицам, изображенным пунктиром внизу на плане. С другой – тоннель является пересечением в двух уровнях с улицей городского значения, перпендикулярной ему.

Здесь интересна интерпретация способа «стена в грунте». Боковые стены тоннеля нельзя было выполнить, традиционно установив оборудование сверху, поэтому их возводили горизонтальной проходкой, нагнетая раствор водо-воздушным способом. Покрытия штольни выполнили способом продавливания стальных труб с последующим устройством в них железобетонного сердечника.

Другой пример, иллюстрируемый рис. 17, б, более прост, поскольку его осуществляли на свободной от зданий трассе. Сквозное движение переведено под землю, что позволило на месте проезжей части набережной реки устроить прогулочную эспланаду, одновременно сократив воздействие транспортного шума на прилегающую застройку.

Рис. 19 Подземные гаражи

а – скатно-винтового типа; б – то же, роторного с вращающейся вокруг вертикальной оси кабиной лифта; в – с подъемником конвейером-монорельсом, 1 – машинное отделение подъемника; 2 – кабина подъемника; 3 – устанавливаемая автомашина, 4 – монорельс конвейера; 5 –передвигающаяся по монорельсу платформа для автомашин.

Одной из серьезнейших транспортных проблем городов России является проблема хранения индивидуального автотранспорта. В прошлые времена ей не уделяли должного внимания. Градостроители предполагали, что машиностроительная промышленность страны не может обеспечить спрос на автомашины.

Рис. 20. Полуподземные стоянки-гаражи:

а – вписанная в холм; б – во дворе, совмещенная с подземным проездом для загрузки товаров в магазины (въезд в подземное пространство с торцов);
в – во дворе-«колодце», перекрытом на уровне пола второго этажа и с использованием габарита здания; г – то же, но под частью двора, 1 – воздушные вытяжки из гаража, 2 – газонепроницаемое перекрытие; 3 – поверхность срезаемого холма; 4 – проезд в магазины; 5 – пандус (стрелками показаны въезды в гараж).

В проекты новых городских образований закладывались решения с минимальным по международным стандартам количеством автостоянок При реконструкции старозастроенных территорий их практически не предусматривали за неимением свободных площадей внутри кварталов. В результате улицы, переулки и дворы крупных городов оказались заполненными отстаивающимися машинами.

В пределах старой застройки смягчить описываемое явление можно путем строительства подземных стоянок. Временные стоянки необходимо строить одновременно с административными зданиями и торгово-рекреационными комплексами. Иногда совмещать с торговыми сооружениями, размещая в специально выделенных ярусах торгово-пешеходных улиц. Одно из таких решений показано на рис. 18. На фрагменте видно, как решены стоянки в нижних ярусах подземного сооружения под Тверской улицей в Москве.

В пределах дворового пространства кварталов строят многоэтажные стоянки (рис. 19). Как правило, они должны быть компактными и не занимать большие площади. Поэтому рамповые въезды на ярусы многоместных стоянок, типа изображенных на рис. 19, д, делают редко. Чаще рампы заменяют лифтами-подъемниками (рис. 19, б и в).

Многоэтажные многоместные стоянки являются сложными инженерными сооружениями, возведение которых может растянуться на годы. В условиях функционирующей жилой застройки такое строительство не всегда осуществимо, поэтому во всем мире при реконструкции жилых кварталов прибегают к решениям, показанным на рис. 20. В одном cлучаe используют рельеф местности (схема а и в), в другом – совмещают с подъездами в складские зоны магазинов (схема б), в третьем – устраивают короткие рампы (схема г).

Частичное размещение стоянки в габаритах здания рационально, если оно построено по двух- и трехпролетной схемам, но с внутренними опорами в виде колонн. Приспособление подвалов домов с внутренними стенами нерационально, поскольку требует больших затрат на пробивку и усиление проемов или замену стен на столбы.

ОСВОЕНИЕ ПОДЗЕМНОГО ПРОСТРАНСТВА, КАК НЕОБХОДИМОЕ УСЛОВИЕ РАЗВИТИЯ МЕГАПОЛИСА

Генеральный директор СРО НП «Объединение строителей подземных сооружений, промышленных и гражданских объектов»

VIII Санкт-Петербургский Международный Форум «МИР МОСТОВ»

Санкт-Петербург, 22.09 – 23.года

КБЦ «Петроконгресс»

«Нам нужно уходить под землю.

Использовать территорию Петербурга для открытых стоянок

или для технических помещений – безумие»

, ген. директор

Строительный комплекс Санкт-Петербурга - крупнейшая отрасль городской экономики, одно из ведущих направлений развития Петербурга. Объемы строительства растут с каждым годом, что требует развития городской инфраструктуры, как в новых кварталах, так и в районах со сложившейся городской застройкой, центре Петербурга. И сегодня наряду с развитием новых городских территорий, одним из направлений работы строительного блока становится освоение подземного пространства, позволяющее сохранить уникальный внешний облик центральных районов и ценных городских ландшафтов.

В Санкт-Петербурге подземный ресурс города использован пока не достаточно. Однако развитие научной мысли, применение новых строительных методов и технологий сегодня позволяют вновь поднять вопрос освоения подземного пространства для прокладки новых городских транспортных магистралей, размещения гаражей, паркингов, пешеходных переходов, объектов коммерческой недвижимости , коммунального хозяйства , использования подземных этажей для обеспечения прочности и надежности конструкций строящихся высотных зданий.

Решение задач подземной урбанизации требует комплексного подхода с привлечением архитекторов и инженеров различных специализаций: геологов, геотехников , конструкторов, транспортников, тоннельщиков, сетевиков, экономистов.

Во всех крупнейших городах мира в условиях дефицита городских территорий активно развивается подземная урбанизация. Под землей размещают тоннели транзитных транспортных магистралей, дублирующие перегруженные транспортом городские улицы, пешеходные переходы, транспортные развязки , гаражи, парковки автомобилей, логистические центры, объекты торгового, развлекательного, коммунально-бытового и другого назначения, трансформаторные подстанции и прочие инженерные сооружения.

Зарубежный опыт показывает, что для обеспечения устойчивого развития и комфортного проживания в мегаполисе доля подземных сооружений от общей площади вводимых объектов должна составлять 20-25%. В Москве доля подземных сооружений, введенных в эксплуатацию за последние 5 лет, не превышает 8%. В Санкт-Петербурге этот показатель ещё ниже.

В Санкт-Петербурге, несмотря на стремление к экономии городских территорий и необходимость разгрузки наземных городских магистралей, освоение подземного пространства идет крайне медленно. Это объясняется сложными инженерно-геологическими условиями города, недостаточностью опыта проектирования, строительства и эксплуатации подземных сооружений и многофункциональных комплексов, а также отсутствием общей концепции комплексного освоения подземного пространства.

Подземное строительство относится к высшему классу сложности. Оно считается более сложным, чем высотное строительство, которое все шире применяется для застройки наших крупных городов. Но именно возведение высотных зданий на слабых грунтах диктует строительство многоэтажной подземной его части для обеспечения устойчивости и надежности сооружения, тем самым, являясь движителем развития подземной урбанизации.

Во многих странах мира в последние десятилетия продолжалось интенсивное освоение подземного пространства. Оно нацелено как на строительство тоннелей на внутренних и межгосударственных путях сообщения, так и, пожалуй, не в меньшей степени на решение транспортных, социальных и экологических проблем крупных городов. Развитие тоннелестроения и освоения подземного пространства городов привело в этой области к совершенствованию и созданию новых, в том числе и высоких технологий, на базе которых подземное строительство превратилось в интенсивно развивающуюся индустрию.

Освоение подземного пространства как отдельное направление градостроительного развития наших городов отсутствует.

Вместе с тем, анализ ранее принятых проектных решений показывает, что в большинстве случаев отказ от освоения подземного пространства негативно влияет на формируемую планировочную и архитектурно-пространственную структуру городов.

Мировая практика градостроительства свидетельствует, что одним из наиболее эффективных путей решения территориальных, транспортных и экологических проблем крупных городов, развивающихся как культурно-исторические и торгово-промышленные центры, является комплексное освоение подземного пространства.

Происшедшие в последние годы социальные изменения привели к усилению неблагоприятных тенденций в развитии городов. Центры городов приобретают все более административно-коммерческий характер, что усложняет транспортные и экологические проблемы, требует принятия эффективных мер по сохранению исторической части города. Резкий рост числа личных автомобилей и отсутствие для них достаточного количества гаражей и транспортных тоннелей превратили улицы и площади исторического центра города в зону транзита и стоянки транспорта. Многочисленные торговые точки и складские помещения, не требующие по своим функциональным особенностям размещения на поверхности, занимают значительное пространство жилых кварталов и перекрестков улиц. Все сооружения электро - и теплоэнергетики располагаются на поверхности, не обеспечивая должной безопасности и экологической чистоты.

В этих условиях освоение подземного пространства - один из наиболее реальных путей развития городской среды центральной зоны.

Необходимо размещать многофункциональные подземные и наземно-подземные комплексы, в первую очередь, вблизи пересадочных узлов метрополитена, железнодорожных вокзалов, на будущих трассах автотранспортных тоннелей. Функциональное предназначение подземной части комплексов может значительно отличаться в зависимости от места размещения. Наиболее важная проблема, которую они должны разрешить - транспортная, что требует расположения в них гаражей, паркингов, транспортных вертикальных и горизонтальных коммуникаций, станций обслуживания, разветвленных переходов преимущественно зального типа. Вместе с тем в них могут размещаться магазины, торговые точки, склады, кафе, рестораны, места отдыха и другие помещения сферы обслуживания.

Активное и комплексное использование подземного пространства позволяет успешно решать совокупность сложных и важных для любого современного города задач:

− создает предпосылки для наиболее рационального использования и экономии все более дефицитных городских территорий, освобождая поверхность земли от многочисленных сооружений, помещений и устройств, как правило, не связанных с постоянным пребыванием в них людей. Одновременно происходит увеличение незастроенных, открытых озелененных и обводненных пространств и формирование удобной для населения, здоровой и эстетически привлекательной городской среды;

− позволяет предельно компактно размещать сооружения самого различного назначения, в том числе создавать новые или развивать существующие объекты массового посещения в наиболее нужных для города местах, даже в условиях реконструируемой и крайне стесненной застройки;

− способствует обеспечению транспортного единства осваиваемых территорий и радикальному упорядочению транспортного обслуживания населения благодаря взаимосогласованному использованию скоростного неуличного транспорта, магистральных улиц и дорог, с формированием систем предельно компактных и, как правило, многоуровневых пересадочных узлов;

− облегчает решение проблем размещения и развития систем подземных технических, коммунально-складских и подсобно-вспомогательных помещений с максимальным градостроительным, эксплуатационным и экономическим эффектом;

− обеспечивает возможности значительной экономии топливно-энергетических ресурсов при эксплуатации подземных и полуподземных объектов по сравнению с аналогичными по назначению «наземными» объектами - на отопление и охлаждение до 30-50 % в складах и до 80 % в холодильниках и морозильниках при одновременном повышении их устойчивости и долговечности;

− обеспечивает оптимальные условия развития, эксплуатации и ремонтов городских инженерных сетей с использованием коллекторных прокладок и минимальными объемами разрытий;

− способствует оздоровлению городской среды за счет организации непрерывного и безопасного движения транспорта на наиболее важных направлениях, улучшению условий постоянного и временного хранения транспорта, том числе индивидуальных автомобилей в различных функциональных зонах городов;

− способствует решению художественно-эстетических задач с формированием пространственно-выразительной застройки, бережным сохранением и раскрытием памятников истории и культуры и особенностей всегда неповторимого природного ландшафта.

Освоение подземного пространства городов является более сложным по сравнению с методами традиционного «наземного» строительства, требует специфических методов производства работ, с учетом нормальной жизнедеятельности города, с характером ранее уложенных коммуникаций и оснований ранее построенных зданий. Значительное влияние на возможности развития подземных объектов, их пространственно-конструктивную структуру и технологическое оборудование оказывают конкретные гидрогеологические условия.

Стоимость строительства новых подземных сооружений значительно, нередко в 1.5-2 раза, превышает стоимость аналогичных наземных зданий и сооружений. Вместе с тем значительно расширяет область развития подземной урбанистики во многом новые для нас понятия цены земли, цены недвижимости, комплексной градостроительной оценки территории, в которой учитываются не только предстоящие затраты на строительство на данном участке, но и ранее вложенные, а также ожидаемый суммарный социально-экономический эффект. Все это требует, как правило, многовариантных проектных решений.

В городах различной величины, отличающихся по месту расположения, застройке, культурно-историческим и природным условиям оправданы различные, в том числе и контрастные направления освоения их подземного пространства. Несмотря на это, могут быть высказаны и определенные, наиболее общие рекомендации.

Основное направление комплексного использования подземного пространства крупнейшего города - это, прежде всего - зона общегородского центр прилегающие к ней территории, а также межрайонные и специализированные центры, являющиеся, как правило, наиболее посещаемыми частями города. Именно в них преобладает опорная капитальная и исторически ценная застройка и здесь обычно фиксируется самый острый дефицит свободных незастроенных территорий.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Развитие подземной урбанистики является необратимым процессом и знаменует собой качественно новый уровень современного городского жилищно-гражданского и другого строительства. Оно должно быть распространено на все города, в первую очередь, на крупнейшие и крупные, и на все их функциональные зоны.

2. Необходимость разработки основных направлений комплексного использования подземного пространства возникает на всех основных стадиях градостроительного проектирования:

При составлении или корректировке Генерального плана города - в виде наиболее общего прогноза;

При разработке проекта детальной планировки - в виде программы;

При разработке проекта застройки - в виде части проекта.

Главная цель активного и комплексного использования подземного пространства города - обеспечение оптимальных условий для труда, быта и отдыха городского населения с одновременным увеличением открытых озелененных пространств, с формированием здоровой, удобной и эстетически привлекательной городской среды. А в связи с тем, что территория центральных частей городов практически освоена, основной принцип развития - реконструкция сложившихся регионов. Все это требует углубленных предпроектных исследований, многовариантного проектирования и многофакторной оценки альтернативных решений.

В настоящее время считается, что строительство подземной части городов является показателем условий жизни населения развивающихся мегаполисов, связанным с их количественным и качественным ростом, развитием новых и традиционных городских функций.

Практика разработки предпроектной и проектной документации для различных видов строительства в подземном исполнении в последние годы (исключая традиционные виды работ) носит чисто стихийный характер, определяемый большим количеством предложений со случайным проявлением коммерческих интересов. При этом отсутствует механизм направления этой нужной для города инвестиционной деятельности в определенное, с градостроительных позиций строго обоснованное русло.

При этом наряду с традиционными видами работ, в новых условиях необходима разработка широкомасштабного перечня видов работ, рекомендуемых к исполнению в подземном пространстве, а также разработка типологии и классификации качественно новых форм использования подземного пространства: социально-культурных центров, многофункциональных комплексов, других объектов и видов строительства, сооружение которых в городе отвечало бы современным требованиям общемировых стандартов. В этом плане необходим комплексный анализ зарубежного опыта проектирования и строительства подобных объектов. В новых условиях необходима разработка строго обоснованной адресной программы первоочередного подземного пространства с выявлением и расстановкой приоритетов, определяющих решение важнейших социально-градостроительных задач, ясно понимаемых и принимаемых всеми участниками процесса развития города.

3. Транспортные проблемы также необходимо решать с помощью интенсивного освоения подземного пространства города. При росте автомобилизации до 300-350 авт./ 1000 жителей необходимо найти место для дополнительных магистралей, это, в первую очередь, пространство «под» и «над» земной поверхностью.

В своем развитии город перерос исторически сложившуюся в его центре одноуровневую уличную сеть, что и порождает многочисленные техногенные проблемы. Практически невозможно "расширить" уличную сеть без интенсивного использования подуличного подземного пространства, которое в настоящее время осваивается крайне ограниченно и неэффективно, отдельными локально-поперечными участками частного назначения (например, подземные пешеходные переходы).

ПЕРСПЕКТИВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ОСВОЕНИЯ ПОДЗЕМНОГО ПРОСТРАНСТВА В ЦЕНТРАЛЬНЫХ РАЙОНАХ ГОРОДОВ

Инвестирование при освоении подземного пространства.

Подземное строительство в городах имеет некоторое явное преимущество по сравнению с сооружениями на поверхности:

Наземное пространство плотно застроено. Освоение подземного пространства нередко является единственно возможным путем развития городской инфраструктуры со значительным эффектом для города;

При размещении ряда функций для жизнеобеспечения граждан под землей создаются более благоприятные возможности для существования людей на поверхности: для отдыха в парках, движения пешеходов и так далее;

Сохраняются культурные и природные ценности на поверхности, при этом продуманное подземное строительство не создает эффектов, нарушающих жизнь города;

Шум и выхлопные газы на дорогах и рельсах проще контролировать в тоннелях, чем на поверхности;

Сберегается энергия охлаждения или отопления, поскольку под землей обеспечивается более регулируемый климат;

Подземные сооружения обеспечивают убежища для населения во время военных действий и защищают инфраструктуру жизнеобеспечения от попыток ее нарушения.

Эти преимущества вместе с новыми методами строительства, сокращением времени строительства и снижением его стоимости делают подземные решения все более и более популярными.

Возрастание интереса к подземному строительству в условиях рыночных отношений приводит к постановке новых вопросов при его планировании.

Подземное строительство во всех странах управляется посредством определенного законодательства. Главной целью этого законодательства является соотношение между различными частными правами и общественными интересами. Законодательство защищает права существующих наземных и подземных пользователей, обеспечивает личную безопасность и здоровье, защиту природной и культурной окружающей среды. Одним из сложных правовых вопросов является ограничение права на собственность подземной средой по вертикали.

Права собственников на землю сильно отличаются в различных странах. Имеется три основных градации прав:

Собственник земли владеет подземным пространством до центра земли;

В той степени как далеко распространяется благоразумие существующих интересов;

Право на собственность ограничивается глубиной от поверхности земли (не более чем 6 м).

В РФ эти правовые вопросы пока не имеют решения. Недостатки в законодательстве приводят к неопределенностям во взглядах на право ответственности и распределение риска при финансировании подземных объектов.

Инвестирование при освоении подземного пространства должно производиться из следующих источников:

Из городского и районных бюджетов;

Станции и тоннели метрополитена, канализационные тоннели и подземные инженерные объекты - из бюджетных источников;

Крупные полифункциональные комплексы - из бюджета, а также за счет средств акционерных обществ;

Объекты в подземном пространстве общегородских территорий за счет городских и районных бюджетов, а также за счет частных инвестиций;

Подземные объекты в квартальной застройке за счет частных инвестиций.

Для создания благоприятного инвестиционного климата необходима проработка проектных вариантов и создание смешанных акционерных обществ.

Закономерность современного этапа освоения подземного пространства это непрерывное возрастание значения подземного строительства во всем мире. Это явствует, в частности, из огромных усилий, предпринимаемых для улучшения транспортной инфраструктуры городов в Северной Америке и Юго-Восточной Азии, в особенности в Китае, Японии, Корее, Сингапуре. Значительная работа по созданию сетей канализации, строительству тоннелей - водопроводов и других коммуникаций, необходимых густонаселенным мегаполисам, проводится в Центральной, и Южной Америке , в Северной и Южной Африке. Все больше правительств и муниципальных органов власти во всем мире осознают необходимость и преимущества использования подземного пространства.

Большинство крупных городов мира в настоящее время последовательно осуществляют программы освоения подземного пространства в исторических центрах города, при этом комплексно решаются проблемы транспорта, коммунального и жилого хозяйства, занятости населения, энергосбережения и т. д.

Нами проведен анализ зарубежного опыта подземного строительства в городских агломерациях , схожих с Москвой по таким показателям, как численность населения, количество транспортных средств на одного жителя, площадь занимаемой территории, соотношение исторической и современной застройки.

Анализ показывает - оптимальные условия для обеспечения устойчивого развития и комфортного проживания достигаются при доле подземных сооружений от общей площади вводимых объектов в 20-25 % за счет того, что ниже уровня поверхности земли может быть размещено до 70 % от общего объема гаражей, до 80 % складов, до 50 % архивов и хранилищ, до 30 % предприятий сферы обслуживания. Это административные, зрелищные и спортивные сооружения (например, в Норвегии возведен крупнейший спортивный комплекс на глубине 18 метров от поверхности земли, общая площадь которого равна 7 тыс. кв. м.), торговые центры, кинотеатры, бассейны и многое-многое другое.

Разумеется, не во всех крупных городах это соотношение выдерживается, но вместе с тем есть примеры выдающихся подземных сооружений, без которых современный облик таких городов, например, как Монреаль и Торонто, невозможно представить. Есть и другие решения - например, система организации парковок в Мюнхене и Париже. Внешне невидимые, они обеспечили вывод качества и комфорта городской среды на значительно более высокий уровень.

Весь опыт проектирования и реализации подземных сооружений подтверждает, что технические сложности или природные условия не являются главными препятствиями на пути к комплексному использованию подземного пространства в целях удовлетворения нужд города и создания приемлемых условий жизни, работы и отдыха для его жителей. Недостаток исходных данных, неопределенность в компетенциях, в юридической области, запутанность имущественных отношений, недостаток финансовых средств и неясность в правилах определения окупаемости капитальных вложений – вот те самые главные камни преткновения. Кроме того – фактически не существует генеральный план использования подземного пространства городов, несмотря на то, что без учета такого же плана, созданного для наземных строек, нельзя даже подумать о строительстве любого наземного объекта.

Центральные области больших городов, как правило, представляют собой огромное сосредоточение сплошной застройки, транспорта и технической инфраструктуры, работающих на пределе своих возможностей. Непрерывно нарастающие требования по объему деятельности, которую необходимо в этом ограниченном пространстве выполнять, заставляют искать все новые и новые подходы к решению этой столь сложной градостроительной проблемы, которая со временем будет становиться все сложнее.

Задачи сегодняшнего дня будут казаться простыми по сравнению с теми, которые должны будут решать наши потомки. Своими нынешними действиями мы можем им в этом деле помочь, или, наоборот, усугубить проблемы и усложнить работу. Большинство перспективных решений сегодня базируется на использовании подземного пространства.

Дефицит свободных территорий, быстрый рост числа транспортных средств, необходимость уплотнения городской инфраструктуры требуют активного вовлечения подземных пространств в процесс реконструкции городских территорий для размещения транспортных и инженерных систем, объектов торговли и бытового обслуживания, складов, автостоянок и пр. Во многих случаях подземные сооружения в структуре реконструктивных мероприятий являются целесообразным решением многих вопросов функционирования города.

Подземное пространство - это пространство под дневной поверхностью, используемое для расширения среды обитания горожан, реализации приоритетов эколого-экономического благополучия и устойчивого развития, создания условий жизнедеятельности людей в экстремальных обстоятельствах. Комплексное освоение подземного пространства - характерная черта крупных городов.

Этот прием реконструкции городских пространств используется преимущественно в зонах наиболее интенсивных транспортных потоков и пересечений, на территориях промышленных узлов и зон коммунально-складского назначения. Необходимость активного использования подземных пространств обусловлена:

1) строительством зданий и сооружений в условиях уплотнения реконструируемой городской застройки;
2) сохранением территорий зеленых зон и мест отдыха, устройством в сложившейся застройке озелененных и благоустроенных участков;
3) повышением художественно-эстетических качеств городской среды, сохранением исторически ценных объектов на реконструируемых территориях;
4) обеспечением доступности наиболее важных объектов городского значения и мест приложения труда горожан, экономии времени;
5) улучшением транспортного обслуживания, повышением безопасности движения, снижением уличных шумов;
6) оптимизацией структуры инженерных коммуникаций;
7) защитой населения в периоды возможных природно-техногенных аварий и катастроф, а также военных действий.

Во всех крупнейших городах мира как во время нового строительства, так и реконструкции городских территорий ведется активное освоение подземных пространств. По своему назначению подземные сооружения подразделяются:

1) на транспортные (пешеходные и транспортные туннели, метрополитен, автостоянки и пр.):
2) промышленно-энергетические;
3) хранилища горючесмазочных материалов и холодильники;
4) общественные (предприятия торговли, общественного питания, спортивно-зрелищные сооружения и пр.);
5) инженерные (туннели и коллекторы тепло-, газо-, электросетей и водопровода, бензопроводы автозаправочных станций, водозаборные, насосные и очистные сооружения);
6) специального назначения (научные и испытательные сооружения, оборонные объекты, сооружения гражданской обороны и пр.).

Как правило, наиболее существенную роль играют системы и сооружения транспортного назначения:

скоростной внеуличный рельсовый транспорт (метрополитен, скоростной трамвай, городская железная дорога);
пересечения городских улиц в разных уровнях, транспортные туннели, подводные туннели, подземные пешеходные переходы и т.д.;
объекты, связанные с обслуживанием и хранением автомобилей (гаражи, гостевые автостоянки-паркинги);
многофункциональные и многоуровневые комплексы различного назначения, связанные с наземными зданиями, а также устройствами и сооружениями транспортного назначения (вокзалы, торговые центры, станции метро и пр.).

Освоение подземного пространства в ходе строительства, а также реконструкции застроенных территорий означает создание новой подземной инфраструктуры. При этом должны учитываться ряд факторов, влияющих на экологию подземной среды, состояние гидрогеологической среды и существующих зданий и сооружений. Сверхконцентрация населения, инфраструктуры и промышленного производства приводит к перегрузке геоэкологической и гидрогеологической сред, вызывает в них необратимые изменения:

развивается гравитационное и динамическое уплотнение пород;
происходит сдвижение пород в массиве, гидростатическое взвешивание и сжатие рыхлых водовмещающих пород;
нарастает механическая и химическая суффозия.

Наиболее интенсивно эти процессы проявляются в поверхностных слоях земной коры на глубинах до 60-100 м, однако в отдельных случаях воздействие может проявляться и на глубинах до 2000 м от дневной поверхности. Создание подземных выработок, откачка подземных вод, нарушение фильтрационного баланса грунтовых вод приводят к изменению напряженно-деформированного состояния массива и уплотнению пород в пределах депрессивных воронок водопонижения. Возможный итог подобных процессов - деформации земной поверхности и многочисленные аварийные ситуации.

Важным резервом освоения подземного пространства городов является повторное использование отработанных горных выработок, объектов гражданской обороны, исторических сооружений и пр. В них с успехом могут размещаться гаражи и автостоянки, складские и торговые помещения, спортивные сооружения, развлекательные комплексы, археологические и исторические музеи, экскурсионные маршруты по подземной части старых городов и пр.

Вопросы для самопроверки

1. Надстройка зданий и сооружений из градостроительных и экономических соображений.
2. Назовите три вида возможных надстроек реконструируемых зданий.
3. Устройство мансардных этажей в реконструируемых зданиях.
4. Рассмотрите возможные конструктивные схемы многоэтажных надстроек.
5. Надстройки на функционально эксплуатируемых плоских крышах.
6. С какой целью применяются пристройки к зданиям и встройки?
7. Передвижение и подъем зданий: цель и выбор объекта.

КАТЕГОРИИ