Подземные сооружения

ПОДЗЕМНЫЕ СООРУЖЕНИЯ (а. underground structures; н. unterirdische Bauwerke; ф. ouvrages souterrains; и. instalaciones subterraneas) — объекты промышленного, сельскохозяйственного, культурного, оборонного и коммунального назначения, создаваемые в массивах горных пород под дневной поверхностью.

Исторический очерк. Использование подземных пространств уходит корнями в эпоху палеолита, когда пещеры стали первыми надёжными жилищами первобытного человека. Эти естественные полости в земной коре уже в те времена приспосабливались под жилища путём закладки камнями входов, отбивки острых выступов в стенах и т.д. Освоение человеком природных подземных пустот послужило одним из главных стимулов для отработки приёмов выемки горных пород в массивах, способствовало формированию воззрения на рациональную конфигурацию подземных горных выработок.

Первые искусственные сооружения в недрах связаны с разработкой полезных ископаемых подземным способом (см. Горное дело), а позднее — со строительством подземных могильных холмов в Древнем Египте (2 тысячелетие до н.э.) и Индии (1 тысячелетие до н.э.). К этому же времени относится строительство достаточно протяжённых тоннелей для водоснабжения городов (например, тоннель длиной 1,6 км на острове Самос, подводный тоннель под рекой Евфрат). В 4 в. до н.э. в районе Пергама сооружается подземное здание храма бога-врачевателя Асклепия. Впервые такое сооружение строится открытым способом с последующим возведением каменных стен, сводов, опорных колонн и засыпкой с поверхности. Сохранившееся здание включает два тоннеля длиной по 50 м (высота 2,5 м) и зал с опорными колоннами высотой свыше 5 метров. Уникальным по масштабам и техническим решениям было строительство подземных городов в Каппадокии (Анатолия), начавшееся в 1-2 вв. до н.э. (открыты и исследованы в 1963). Подземный город (достраивался до 5-6 вв. н.э.) состоит из 18 этажей, соединённых наклонными проходами с вырубленными ступенями, на общую глубину до 80 м (до подземных источников). Четыре сквозных вертикальных ствола диаметром около 1,5 м пройдены на всю глубину до водоносного горизонта и соединены многочисленными отводами с основными подземными помещениями. Своды крупных по размерам помещений поддерживаются целиками, проходы снабжены закрывающимися затворами. Один из таких городов "Глубокий колодец" (Деренкую) включает около 2000 помещений на 10 000 человек и имеет около 600 выходов на поверхность. Город имел систему вентиляции (52 вертикальных ствола), включавшую несколько камер, где жгли костры для обеспечения нормальной циркуляции воздуха (а также и бытовых целей). Высота камер свыше 2 метров. Имелись помещения для хранения воды, молитвенных обрядов (первые христиане), загоны для скота (верхние этажи), приготовления вина и т.п. (рис. 4).

Площадь наиболее крупной камеры — свыше 300 м². В помещениях зимой и летом температура постоянная (9-10°С). Всего в Каппадокии насчитывается 36 подземных городов. В 1 в. н.э. в Каппадокии начинается строительство подземных сооружений пещерного типа с многоярусной планировкой. Эти сооружения включают постройки религиозного назначения с настенными рисунками (первые христианские церкви) и жилые помещения. Позднее подземные сооружения пещерного типа строятся в других регионах. В средние века в целях защиты от набегов в скалах сооружались жилые, культовые, военные и другие помещения (например, Чуфут-Кале в Крыму). Сохранились остатки подземных монастырей 6-13 вв. в Грузии. Крупный подземный городской комплекс пещерного типа Вардзиа (конец 12 — начало 13 вв., Грузия) включал около 500 помещений, расположенных в 5-6 ярусах над р. Kypa. Сохранившиеся горные выработки позволяют судить о хорошо продуманной системе сбора и отвода дождевой воды и других достаточно сложных технических решений, обеспечивавших автономную жизнь подземного города. Аналогичные подземные жилые постройки в вулканических туфах, известняках, плотных песчаниках сооружались в раннем средневековье также на территории Китая, Болгарии и других стран.

Изобретение и совершенствование взрывчатых веществ открыло дорогу крупной области подземного строительства — транспортному тоннелестроению. С конца 17 в. началось строительство судоходных тоннелей во Франции и Англии. Изобретение в 19 веке динамита позволило сооружать в крепких скальных породах железнодорожные тоннели значительных протяжённостей и больших поперечных сечений: Симплонского (20 км), Сен-Готардского (15 км), Мон-Сениского (14 км) и др. Создание и развитие горного машиностроения, совершенствование горных технологий дали возможность в конце 19 в. приступить к строительству первых городских подземных дорог (Лондон, 1863; Будапешт, 1896; Париж, 1900). Во 2-й половине 19 века в России были построены подземные водохранилища с протяжённостью основных горных выработок в несколько км. В начале 20 века сооружаются первые подземные гидроэлектростанции (Германия, 1907; Швеция, 1914), горные выработки законсервированных шахт приспосабливают под склады (Германия, 1914), строится первый подземный приборостроительный завод (Германия, 1917). В 30-е гг. подземное строительство оборонных (авиазаводы, ангары, склады боеприпасов и др.) и промышленных объектов (склады, текстильные фабрики, гаражи, нефтехранилища) велось во Франции, Швеции, Германии, США и других странах. Количество подземных сооружений возросло в странах Европы и в Японии особенно в период 2-й мировой войны 1939-45. Среди них (кроме военных заводов, складов различного назначения, убежищ и т.п.) появились также первые подземные заводы по очистке сточных вод (Швеция, 1939-41), первый крупный подземный холодильник (г. Атчисон, США, 1944). Послевоенный анализ опыта строительства и эксплуатации подземных сооружений позволил сделать принципиально важный вывод о их технико-экономической эффективности в определённых горно-геологических условиях. В 1950 появляется новый тип подземных сооружений — хранилища углеводородного топлива в истощённых газонефтяных залежах (США). К концу этого десятилетия различного рода подземные сооружения (главным образом гидроэлектростанции, склады, газонефтехранилища) имелись почти в 30 странах мира.

80-е гг. ознаменовались значительным увеличением среди прочих подземных сооружений числа объектов промышленного назначения (главным образом газонефтехранилища), возрастанием объёма единичного сооружения (свыше 1 млн. м³ для подземных заводов, несколько млрд. м³ для подземных газохранилищ), расширением географии размещения подземных сооружений на все континентах мира.

Классификация подземных сооружений. Выбор архитектурно-планировочных решений, способа строительства, вида конструкций и их крепления, гидроизоляции, системы кондиционирования воздуха и т.п. определяется в основном назначением подземных сооружений и свойствами массива вмещающих горных пород (табл.).

Одна из наиболее крупных групп подземных сооружений — сооружения, в которых осуществляется добыча твёрдых полезных ископаемых (см. Подземная разработка месторождений). Значительна доля подземных сооружений служащих транспортными коммуникациями, — железнодорожные тоннели, тоннели и станции метрополитена, а также сооружения, обеспечивающие перемещение воды (см. Гидротехнический тоннель), нефти (см. Нефтепровод магистральный), природного газа (см. Газопровод магистральный), различных грузов (см. Трубопровод).

Растёт число подземных объектов тепло- и электроснабжения и других производств. К середине 80-х гг. количество подземных ГЭС, эксплуатируемых и строящихся в мире, достигло 400, а их общая мощность — 50 млн. кВт. Определились 3 типовые схемы подземных ГЭС: концевая (здание расположено в конце трассы деривации), головная (здание вблизи водозабора), промежуточная (здание в средней части трассы деривации). Эти подземные сооружений в сравнении с наземными отличают меньшая протяжённость напорных водоводов и гидравлические потери напора, расход материалов, повышенная устойчивость к воздействиям климатических и других природных факторов (лавин, снегопадов и т.п.). Объёмы горно-строительных работ при сооружении крупной подземной ГЭС составляют несколько млн. м³ извлекаемых горных пород (например, объём всех подземных выработок Ингурской ГЭС в CCCP, имеющей мощность 1300 МВт, — 3,2 млн. м³, Рогунской ГЭС в CCCP мощностью 2,7 млн. кВт — 5,6 млн. м³). Площади поперечных сечений машинных залов подземных ГЭС — несколько сотен м², а их протяжённость от 50 до 500 метров. Особое значение приобретает строительство подземных АЭС (ведётся в Швеции, Швейцарии и других странах), увеличение стоимости которых (на 30-50%) по сравнению с наземными компенсируется повышенной надёжностью при авариях, стойкостью к сейсмическим воздействиям, безопасностью от средств нападения. Проектные мощности современных подземных АЭС достигают 1,3 тысяч МВт (США и др.).

Подземными хранилищами питьевой воды служат бетонированные камеры большого сечения (свыше 70 м²), разделённые целиками; эксплуатируются в Норвегии, строятся в Бразилии и других странах. Подобные подземные сооружения ёмкостью свыше 8000 м³ при общей экономии затрат на строительство (по сравнению с наземными хранилищами) отличают постоянство температуры хранения, устойчивость к внешним воздействиям, меньшие эксплуатационные расходы.

Целесообразность размещения в подземных сооружениях сооружений для очистки сточных вод оправдывается возможностью строительства их вблизи жилых массивов без отвода значительной территории под санитарные зоны, как это делается при наземной очистке вод. Пропускная способность подобных объектов (Швеция) достигла 140 тысяч м³/сутки.

Всё шире и шире используются подземные сооружений для объектов городского хозяйства. Подземные сооружения стали неотъемлемой частью крупного города (см. Городские подземные сооружения). Комплексная застройка подземного пространства крупных городов позволяет рационально использовать наземные территории, содействует упорядочению транспортного обслуживания населения и повышению безопасности дорожного движения, снижает уличный шум и загрязнение воздуха выхлопными газами автомобилей, способствует повышению художественно-эстетических качеств городской среды.

Особое место среди подземных сооружений занимают подземные объекты оборонного назначения, которые создаются в специально проводимых выработках стволового типа, подземных камерах как единичных, так и соединяемых горизонтальными выработками. Для этих же целей иногда используются естественные полости в земной коре.

Предприятия по производству продуктов питания в подземных условиях размещают главным образом в горных выработках отработанных шахт. В этих подземных сооружениях особенно эффективно выращивание шампиньонов (общее мировое производство около 1 млн. т в год), овощных культур, цветов, а также рыбы. Производство сельскохозяйственной продукции в CCCP ведётся на шахтах "Гигант-Глубокая" (г. Кривой Рог), объединения "Апатит" (Кольский полуостров), на Таштагольском руднике (Кемеровская область), Белоусовском руднике (Иртышская область), на шахте в г. Ухта (Коми ACCP) и др. Для обеспечения продуктивного подземного растениеводства в шахтах, в частности, применяют лампы накаливания и дуговые ртутные, которые в автоматическом режиме в течение необходимого времени обеспечивают растения светом со спектральными характеристиками, близкими к дневному. Световое излучение позволяет также выдерживать в выработках эффективный температурный режим.

Подземные хранилища промышленных товаров устраивают в горных выработках, сечения которых позволяют применять средства механизации для внутрискладских работ, а также таких, где экономически целесообразно поддерживать постоянную относительную влажность воздуха. Важной предпосылкой для устройства крупных складов в отработанных шахтах является штольневой способ вскрытия, позволяющий в дальнейшем использовать для перемещения грузов магистральный железнодорожный или автомобильный транспорт. Площадь современных хранилищ в подземных сооружениях достигает нескольких десятков тысяч м². Так, склад медикаментов в штате Миссури (США) занимает площадь 18,5 тысяч м².

Стабильность температуры окружающей среды и влажности в помещениях, высокая пожарная безопасность, удобство охраны и т.п. послужили основой размещения в подземных сооружениях (сооружаемых как в обычных, так и в многолетнемёрзлых породах) хранилищ скоропортящихся пищевых продуктов. При активном режиме складирования, когда ежесуточно перерабатывается большое количество продуктов и материалов, для хранилищ обычно используют горизонтальные горные выработки, имеющие непосредственную транспортную связь с поверхностными железнодорожными или автомобильными коммуникациями. Одно из крупнейших подземных сооружений подобного рода — склад-холодильник вблизи г. Канзас-Сити (США), размещённый в выработках, проведённых по известнякам из бортов отработанных карьеров (полезная площадь подземных сооружений около 5 га). Крупное подземное хранилище активного складирования в Инкермане (Крым, CCCP) сооружено в горных выработках (высота 10-12 м, длиной по 200 м), образовавшихся в результате выемки известняка-ракушечника. Подземные холодильники малой вместимости эксплуатируются в CCCP в районах Крайнего Севера, где используется холод вмещающих многолетнемёрзлых пород. При пассивном складировании для хранилищ обычно используют выработки отработанных шахт с вертикальными стволами. Вместимость таких складов, сооружаемых в CCCP, США, Италии, Франции, Швеции и других странах, до 1 млн. м³. Затраты на строительство подземных хранилищ скоропортящихся пищевых продуктов составляют несколько десятков процентов стоимости наземных складов (в т.ч. и холодильников) той же вместимости. Приходятся они в основном на сооружение подходных выработок и транспортных коммуникаций.

Подземные лечебные учреждения располагают в выработках большого поперечного сечения (камеры) отработанных шахт. Целесообразность создания подземных медицинских учреждений подобного рода обусловлена относительным постоянством давления, влажности и температуры воздуха, ограниченным воздействием магнитного поля, отсутствием бактериальной флоры, солнечной радиации, шума, естественной ингаляцией (благодаря насыщенности среды химическими элементами). Всё это создаёт микроклимат, благоприятный, в частности, для лечения лёгочных заболеваний (например, в CCCP работает подземная лечебница для больных бронхиальной астмой, размещённая на глубине 200 м в соляном руднике около поселка Солотвина в Закарпатье).

Подземными объектами туризма являются пещеры, имеющие форму галерей, гротов, залов. В них также оборудуются концертные залы (пещера Агтелек в BHP, вместимость 1,5 тысяч человек, пещера Грот-Жейта в Ливане, 1 тысяч человек, пещера Постойнска-Яма в СФРЮ, 10 тысяч человек), музеи карста (Кунгурская пещера на Урале, Новоафонская в Абхазии, пещера Мацоха в ЧССР и др.).

Подземными сооружениями, приспосабливаемыми под подземные хранилища нефти, газа и их производных наряду с природными геологическими структурами служат специальные горные выработки, проводимые в газонепроницаемых породах (в т.ч. многолетнемёрзлых), выработки отработанных шахт, в т.ч. камеры рассолопромыслов, полости в пластичных глинах, создаваемые взрыванием камуфлетных зарядов, а также соляные отложения — после выщелачивания полезных ископаемых. Преимущества подобных подземных сооружений перед наземными резервуарами: уменьшение потерь от испарения, низкая пожароопасность, защищённость от внешних воздействий, высокая технико-экономическая эффективность и др. Уже к концу 60-х гг. в США около 98% сжиженных газов хранилось в подземных условиях. В подземных сооружениях сосредоточены также основные стратегические запасы нефти и нефтепродуктов этой страны. Эффективность подземного хранилища возрастает с увеличением его ёмкости (особенно после 40 тысяч м³). См. также Газовое хранилище, Нефтехранилище.

Для подземного захоронения вредных отходов наиболее эффективны соляные формации, гранитные массивы, плотные глины. Подземные сооружения этого рода включают буровые скважины (используемые для закачки), участки в непригодных для использования водоносных горизонтах и т.п. геологических структурах или выработки отработанных шахт (см. Захоронение отходов).

Подземные предприятия, как правило, размещают в выработках соляных и известняковых шахт, в которых добыча полезных ископаемых велась по камерной или камерно-столбовой системе разработки. Пролёты выработок подземных сооружений обычно 15-30 м, высотой 10-15 метров. Крепь главным образом бетонная или железобетонная, иногда кирпичная или блочная с использованием закрепного пространства для вентиляции и дренажа. Одно из важных достоинств подобных подземных сооружений — отсутствие вибрационного фона (при глубина свыше 25-50 м), шумов, микроклимат (в т.ч. благоприятный пылевой режим). Благодаря этому под землёй наиболее целесообразно размещение заводов точного приборостроения, электроники, специального машиностроения и др. Кроме этих и других предприятий, в подземных сооружениях создают обогатительные и дробильно-сортировочные фабрики, другие горные производства (Чили, Гренландия, США).

Размещение в подземных сооружениях научно-исследовательских объектов эффективно благодаря высоким экранирующим свойствам массивов горных пород, хорошей сейсмоустойчивости помещений. Создают подобные учреждения на базе вторично используемых или специально проводимых выработок. Так, в 4-километровом тоннеле и 2 примыкающих к нему камерах сечением 23,5х16,3 м в CCCP (на Кавказе) построена нейтринная лаборатория, которая защищена толщей горных пород (1900 м) от большинства космических частиц и естественной радиации. Сейсмогеофизические обсерватории в подземных сооружениях действуют вблизи гг. Фрунзе, Уфа, в районе Тбилиси. Подобные подземные обсерватории имеются и в других странах (например, в США в штате Южная Дакота в выработках золоторудной шахты на глубине 1500 м).

Строительство подземных сооружений. Выбор способа строительства подземных сооружений зависит в основном от глубины заложения и назначения объекта, горнотехнических условий строительного участка. Неглубокие подземные сооружения строят открытым способом, с использованием опускных сооружений, подземных сооружений глубокого заложения и, в особых случаях, неглубокого (например, перегонные тоннели метрополитенов или городские коллекторы) — закрытым (подземным) способом (подробнее см. в ст. Подземное строительство). Строительство подземных сооружений может осуществляться с помощью буровзрывных работ, механизированных комплексов и другого горного оборудования (комбайны горные, щиты проходческие), скважинными методами с использованием процессов подземного выщелачивания, взрывного уплотнения грунтов.

Приспособление под подземные объекты горных выработок отработанных шахт с устойчивыми вмещающими породами включает горнопроходческие работы по спрямлению выработок, их расширению, сооружению новых. В крепких устойчивых породах подземные сооружения обычно оставляют незакреплёнными; в отдельных случаях применяют временную крепь, а также постоянные конструкции из монолитного бетона и железобетона, сборного железобетона и чугунных тюбингов (см. Крепь горная). В связи с тем, что полости, образуемые или подготавливаемые скважинными методами, используются в основном в качестве хранилищ для нефтепродуктов и сжиженных газов, к вмещающим горным породам предъявляются требования по непроницаемости, однородности по составу и химической нейтральности к хранимым продуктам.

Эксплуатация подземных сооружений сводится главным образом к поддержанию в них необходимого микроклимата, обеспечению искусственного освещения и энергоснабжения. Регулирование параметров воздушной среды производят обычно с помощью установок кондиционирования воздуха. Температурный режим подземных сооружений создаётся, как правило, только за счёт отопления (реже охлаждения), т.к. конвективный теплообмен в горном массиве практически отсутствует. Экономичность терморегуляции в определённых случаях обеспечивается специальным подбором места подземных сооружений, в основе которого близость температуры вмещающих горных пород к технике.

Увеличение масштабов строительства подземных сооружений в перспективе связано с возможностью утилизации полостей, остающихся после извлечения полезных ископаемых из недр, возможностью эффективного и комплексного решения вопросов экологии, сбережения энергии и ресурсов.