Строительная геотехнология

Строительная геотехнология – совокупность знаний о прочности, устойчивости и долговечности подземных сооружений, методах и закономерностях освоения подземного пространства недр. Строительная геотехнология составляет научную и практическую базу деятельности человека по использованию участков земной коры для размещения в них разнообразных объектов жизнеобеспечения. Ее данные используются при проектировании, строительстве и реконструкции подземных сооружений, а также в процессе их эксплуатации для обеспечения долговременной зашиты.

К основным методам освоения подземного пространства относятся: приспособление природных полостей (пещер, карстовых пустот); реконструкция, восстановление или переоборудование существующих техногенных полостей (горных выработок, отработанных шахт и рудников, каменоломен, катакомб, законсервированных объектов ГО и т.д.) для их повторного использования в новом качестве; строительство подземных сооружений определенного функционального назначения (горнодобывающие предприятия, тоннели, подземные ГЭС и АЭС, гаражи и т. п.).

Развитие цивилизации сопровождается дальнейшим расширением инфраструктуры и ростом народонаселения, что неизбежно ведет к сокращению неосвоенных территорий на поверхности планеты и изысканию новых мест для размещения сооружений, производственных и иных объектов человеческой деятельности. По существу таких мест три: космос, водоемы и недра. На современном этапе развития нашего общества наибольший интерес представляет подземное пространство недр. Во всем мире строительство объектов различного назначения под землей стало одним из приоритетных направлений. Их число в развитых странах удваивается каждые 10 лет, а в перспективе следует ожидать дальнейшего наращивания темпов освоения подземного пространства. Возможность сбережения земельных угодий, материальных, энергетических и других ресурсов, экономическая выгодность и другие преимущества выдвигают использование подземного пространства недр в число наиболее крупных и важных проблем для всех государств, в том числе и для России, несмотря на ее еще достаточно богатый природный потенциал.

Объектами строительной геотехнологии являются подземные сооружения горнодобывающих предприятий и энергетических комплексов, транспортные, гидротехнические и коммунальные тоннели, тоннели метропо­литена, инженерные сооружения в подземном пространстве городов и другие подземные сооружения различного назначения.

По функциональному назначению подземные объекты можно разделить на четыре важнейшие группы:

1. Энергетические и горно-промышленные комплексы, промышленные предприятия, транспортные магистрали и комплексы, хранилища долгосрочного резерва, склады, гаражи, автостоянки, утилидоры и многофункциональные комплексы.

2. Объекты социально-бытового назначения: библиотеки, клиники и больницы, товарные базы и хранилища, музеи, водоочистные сооружения и хранилища воды, бассейны, спортзалы, магазины, киноконцертные залы, церкви, рестораны, научные центры.

3. Подземные объекты экологического значения: хранилища-могильники для захоронения радиоактивных и промышленных отходов, вредных веществ, опасные производства.

4. Подземные объекты оборонного назначения.

Растущий в мире интерес к освоению подземного пространства в значительной мере обусловлен положительными качествами подземных сооружений.

Использование подземного пространства для размещения объектов различного назначения, помимо повышения эффективности использования недр и экономии территории, позволяет существенно уменьшить затраты энергии на отопление и охлаждение помещений, резко снизить влияние внешних климатических условий на внутреннюю среду помещений и др.

При строительстве подземных сооружений сохраняются ценные земельные угодья, обеспечивается экологическая чистота поверхности и достигается экономия материальных ресурсов. Подземные объекты надежно защищены от прямого воздействия климатических факторов. Благодаря теплофизическим свойствам земного массива, с глубиной резко уменьшается амплитуда температурных колебаний наружного воздуха, что обусловливает существенное снижение теплопотерь подземных сооружений, а также теплопоступления из окружающей среды. Создаваемые при этом внутренние условия весьма благоприятны для размещения в подземных горных выработках складов продовольствия, винохранилищ, сейфов, кладовых кино-фотоматериалов и документов, а также производств, требующих термоконстантных условий внутренней среды.

Объекты, размещаемые в подземных горных выработках, характеризуются повышенной виброустойчивостью и акустической изоляцией по сравнению с наземными сооружениями. Эти свойства особенно благоприятны для размещения в подземном пространстве объектов, требующих полной акустической изоляции от внешней среды (станции геофизических наблюдений, студии звукозаписи, радио и телевидение, лаборатории и др.). Виброустойчивость подземных сооружений позволяет организовывать в подземных горных выработках производственные процессы, требующие полного отсутствия вибрации несущих и ограждающих конструкций. Высокая способность породного массива защищать от внешних воздействий позволяет широко использовать подземные сооружения для укрытия людей от средств массового поражения и для защиты от катастроф и стихийных бедствий. В подземных горных выработках соляных шахт лечат хронический бронхит, астму и другие заболевания людей.

Расширение практики использования подземного пространства для различных хозяйственных целей в значительной мере связано с процессом урбанизации, защитой окружающей среды от отрицательных воздействий транспортных инженерных систем и потенциально опасных производств, а также с целью сохранения энергии и утилизации вредных отходов ряда отраслей промышленности. Особого внимания заслуживают подземные объекты для целей водоснабжения, хранения нефти, нефтепродуктов и различных видов горючего газа. В современных условиях перспективным является строительство подземных атомных электрических станций как одного из направлений развития и обеспечения безопасности ядерной энергетики. С позиции охраны окружающей среды это целесообразно, а по инженерно-геологическим и геомеханическим условиям вполне осуществимо даже в массивах менее прочных, чем массивы гранитов или базальтов.

Бурный рост промышленности, развитие науки, создание новых технологических процессов во второй половине XX столетия привели к образованию значительного количества промышленных и бытовых отходов, высокотоксичных и радиоактивных веществ, находящихся в твердом, жидком или газообразном состоянии, требующих удаления из биосферы.

В стране ежегодно вовлекается в производство 13–15 млрд. т природных ресурсов, из которых в конечную продукцию переходит от одного до десяти процентов, а остальные попадают в отходы, требующие утилизации и захоронения. В настоящее время наряду с традиционными способами удаления отходов (сжигание, разбавление поверхностными водами, захоронение и сброс в поверхностные водотоки, моря и океаны, просто свалки на поверхности) все большее распространение, в первую очередь для наиболее токсичных и радиоактивных веществ, получает глубинное захоронение. Это способ захоронения отходов в глубокие горизонты геологических формаций путем закачки в скважины жидких и складирования в горных выработках твердых отходов.

Перспективное развитие массового применения глубинного захоронения муниципальных и слаботоксичных промышленных отходов обусловлено его явными преимуществами в сравнении с остальными, а именно: экологичностью, малой землеемкостью горного отвода, возможностью организации могильников близ потребителя и даже в городской черте, а также использованием для захоронения выработанного пространства законсервированных или закончивших службы шахт, рудников и карьеров. Подземное захоронение твердых промышленных отходов (ТПО) предусматривает создание полостей в слабопроницаемых отложениях на глубине примерно от 30 до 1000 м и является сложной комплексной проблемой.

Во многих странах интенсивно развиваются прогрессивные направления подземного транспортного строительства. Так, например, подземные железные дороги, подземные скоростные трамваи и метрополитены позволяют уменьшить последствия перенаселенности больших городов, высвободить площади для жилой застройки на поверхности земли и пропустить большие пассажиропотоки. Глубокие подземные тоннели инженерных систем мегаполисов могут служить для многоцелевого использования (канализации, водопровода, ливневых вод, транспорта), что позволяет на этой основе усовершенствовать современные системы жизнеобеспечения городов.

В крупнейших подземных станциях по очистке сточных вод, расположенных Стокгольме и Хельсинки, осуществляются централизованные сбор, очистка и контроль вредных выбросов, что позволяет сохранить исторические ландшафты. Дорожные тоннели на магистральных автодорогах и в городах сохраняют жилые массивы, упрощают работу транспорта и могут служить убежищами для укрытия населения в военный период. Имеются примеры строительства подземных транспортных тоннелей акваториями. Крупнейший из них – комплекс подземных тоннелей под проливом Ла-Манш. В перспективе планируется создание аналогичного комплекса под Беринговым проливом. Во многих странах широко применяется подземное хранение продуктов питания.

Становление строительной геотехнологии в России относится к началу XX в. и связано с созданием научных основ проектирования и строительства шахт и рудников, организацией исследований по проблемам горного дела и строительной геотехнологии в частности. Интенсивное развитие строительной геотехнологии, в основном, относится к 30–40-м годам. Этому в значительной мере способствовало внедрение механизации основных процессов горнопроходческих работ на базе электрификации горной промышленности. В этот период были начаты исследования по разработке специальных способов строительства выработок с применением сжатого воздуха, замораживания водоносных и тампонирования трещиноватых горных пород и их реализация в практике. Разрабатывались способы бурения стволов и скважин большого диаметра.

Большое значение в этот период сыграли систематизация, анализ и обоб­щение производственного опыта в области проведения горных выработок обычными и специальными способами, оптимизации параметров буровзрывного комплекса, создания мобильных средств механизированной погрузки породы и тяжелых бурильных машин, а также средств проходческого водоотлива и вентиляции. В 50–60-х гг. меняются и совершенствуются техника и технология проходческих работ. Создаются и внедряются высокопроизводительные машины и комплексы, механизирующие бурение шпуров и погрузку породы при проходке стволов. Разрабатываются рекомендации по совершенствованию технологии бурения шпуров, погрузки породы, проходческого подъема, водоотлива, вентиляции, возведения постоянной крепи, армировки и других процессов.

При строительстве горизонтальных выработок внедряются новые типы пневматических бурильных машин с механической подачей на забой, высокопроизводительные погрузочные машины различного типа, совершенствуется призабойный транспорт, организуются массовые скоростные проходки, внедряются проходческие комбайны и щитовые комплексы. Разрабатываются новые конструкции крепей и механизмов для их установки в выработке, применяются научно-обоснованные методы расчета крепи. Проводятся исследования по разработке различных типов буровых установок для бурения стволов и скважин большого диаметра. Выходят в свет фундаментальные научные труды по бурению стволов, искусственному замораживанию пород при проведении горных выработок, химическому закреплению песчаных грунтов. Разрабатывается теория процессов теплопередачи в горных породах при их замораживании.

Получают широкое развитие исследования в области тоннелестроения и метростроения. Начиная со строительства первой очереди Московского метрополитена, научные исследования были направлены на создание высокопроизводительной техники для строительства тоннелей, новых технологических процессов, прогрессивных конструкций тоннелей. Для отечественного тоннелестроения характерен массовый переход от чугунных обделок к железобетонным, обоснование и внедрение технологии щитового способа строительства тоннелей мелкого заложения и др.

Развиватеся строительство подземных гидротехнических сооружений. В состав комплексов подземных гидросооружений, располагаемых пре­имущественно в скальных породах, входят тоннели, шахты, камеры, конструкции которых чрезвычайно разнообразны. К специфике этих сооружений относятся и их размеры. Площадь поперечного сечения тоннелей для пропуска воды достигает 290 м², площадь камерных выработок для размещения в них машинных залов ГЭС превышает 1500 м², диаметры стволов шахт – до 30 м. Усилиями отечественных ученых разрабатываются научные основы их проектирования и способы строительства тоннелей и камер с использованием средств комплексной механизации подземных работ на базе самоходного оборудования и применения облегченных крепей, позволяющие вести проходку сплошным забоем и по элементам сечения последовательно или параллельно во времени. Разрабатываются методы расчета параметров буровзрывных работ, вентиляции, крепления и погрузки породы в тоннелях и камерах, алгоритмы построения циклов проходческих и бетонных работ, обеспечивающие наивысшие для данных условий скорости строительства подземных сооружений.

На рубеже 50–60-х годов была построена первая в мире подземная атомная станция. В эти же годы в горнодобывающих отраслях промышленности внедряются мощные стволовые проходческие комплексы, обеспечивающие высокую механизацию проходки стволов, разрабатываются принципы автоматизации погрузки и выгрузки породы, проходческого подъема, двухступенчатого водоотлива. Отрабатывается новая технология механизации возведения монолитной бетонной крепи с применением створчатой опалубки и подачей бетона в ствол самотеком по трубам. Создаются методы оптимизации продолжительности проходческого цикла, учитывающие глубину шпуров, производительность погрузки и подъема породы, а также горно-геологические и технические условия проходки. На основе научных исследований и обобщений опыта организуются скоростные проходки вертикальных стволов, позволившие установить мировые рекорды. Продолжаются теоретические и экспериментальные исследования по созданию проходческих комбайнов и самоходного оборудования.

В этот же период значительный вклад был внесен в разработку теории разрушения горных пород при бурении, в оптимизацию режимов бурения, создание конструкций бурильных машин и бурового инструмента, средств борьбы с пылеобразованием. Разработаны теоретические основы гидродинамики промывочных растворов, проектирования бурового инструмента, режимов бурения, динамики буровых установок, регенерации промывочного раствора. Обосновывается возможность применения способа замораживания горных пород для строительства стволов в условиях больших глубин, высоких напоров и засоленности подземных вод, температуры среды и фильтрации. Внедряется способ погружения крепи в тиксотропной рубашке при проходке стволов в сложных горно-геологических условиях.

Научные обобщения отечественного и зарубежного опыта обеспечили более высокий уровень производства работ по строительству тоннелей и подземных сооружений большего поперечного сечения. Особо следует отметить разработку и широкое применение механизированных тоннелепроходческих машин, самоходного мощного бурового оборудования. Проводятся исследова­ния по внедрению комбайновой технологии проходки выработок в крепких породах. Внедряется высокоэффективный способ строительства тоннелей с монолитно-прессованной обделкой.

В 70–80-х годах проводятся широкие исследования по обоснованию новых прогрессивных конструкций крепей горных выработок и обделок подземных сооружений, том числе, из набрызг-бетона, по разработке анкерной крепи. Проводятся исследования с целью создания конструкций подземных хранилищ нефти и газа и технологий их строительства. Проводятся теоретические и опытно-экспериментальные исследования по применению ядерных взрывов для создания подземных емкостей.

Обобщаются исследования по всему комплексу строительства горных выработок и подземных сооружений в различных условиях. Систематизируются теоретические исследования и производственный опыт строительства тоннелей и подземных сооружений больших размеров, в которых отражены выбор способа и технологии строительства, методы расчета основных параметров производств, процессов организации работ, метод установления области целесообразного применения высокопроизводительных машин и комплексов, научные основы автоматизированных систем проектирования организации и производства горно-строительных работ. Большое внимание уделяется развитию и совершенствованию строительства стволов с использованием тампонирования горных пород. Развиваются нетрадиционные способы замораживания при строительстве промышленных и городских подземных сооружений.

К настоящему времени исследованиями отечественных ученых-метростроителей были созданы и внедрены прогрессивные конструкции станций односводчатого и пилонного типов глубокого заложения с применением сборного железобетона. В метростроении эффективно используются отечественные механизированные проходческие щиты, комплексы для проходки тоннелей из цельных секций при открытом способе работ.

Основополагающей идеей освоения подземного пространства является принцип использования и сохранения недр как видоизменяемого ресурса жизнеобеспечения общества. Указанный принцип предполагает, что извлечение тех или иных ресурсов недр необходимо планировать с учетом возможности создания условий для воспроизводства новых ресурсов, использование которых позволит не только компенсировать первоначальные затраты, но и получать дополнительный хозяйственный, экономический или социальный эффект. В связи с этим, параметры проектируемых горнодобывающих предприятий, объектов, технологий их строительства и эксплуатации, а также объектов специального назначения должны выбираться с учетом данного принципа. При этом может измениться и сама последовательность освоения недр в свете очередности ресурсовоспроизводящих технологий, а именно: первоначальное использование недр для размещения тех или иных объектов или же с целью выемки полезных ископаемых может рассматриваться как этап для дальнейшего использования недр, для захоронения отходов деятельности первоначальных объектов или для размещения новых производств. Такой подход позволяет полнее и многограннее обосновать приоритеты в освоении и сохранении различных ресурсов недр и найти новые эффективные технические решения.

Дата добавления: 2014-12-27