Освоение подземного пространства. Использование подземного пространства в городах
Освоение человеком подземного пространства началось в глубокой древности. Прототипом подземных сооружений можно считать естественные пещеры и пустоты в скальных породах, используемые нашими предками. Использование первобытными людьми природных подземных полостей в качестве жилища отмечается уже в период 700 000-800 000 лет тому назад. Наиболее ранние подземные поселения в современных, в анатомическом отношении людей, относящиеся к 120 000-60 000 годам до н.э., открыты в устье реки Класис(Южная Африка) – самая древняя в их пещерах; Кацех в Израиле. Считается, что начиная примерно с 5000 лет тому назад естественные пещеры используются человеком в качестве жилья практически повсеместно. Другими примерами использование подземных полостей могут служить пещеры Киик-Коба, Кош-Коба в Крыму, Мустье во Франции; первое искуственное подземное сооружение найдено в России вблизи деревни Кустеньки. Аналогичных сооружений найдено десятки на восточно-европейской равнине. В период 800-1500 лет назад уже были постоены пещерные города Вардзия(около города Боржоми) и поселение Деринкуйю(в пер. «темный колодец»). В Испании подземные сооружения существуют уже по сей день. В южной части андолузии зарегистрировано более 8000 обжитых пещер в наст.вр. В настоящее время следующие подземные пещерные города: Уплисцихе – «Крепость Владыки» (вблизи города Гори) и город Петра (южная Иордания). Во Франции известно много мест траглодитских поселений. Большинство из них использовались в качестве убежищ вблизи деревень и городов. В начале ХХ века ещё порядка 20 000 французских граждан жили в пещерах. В настоящее время многие пещеры оборудованы коттеджами для отдыха.
История инженерного освоения подземного пространства значительно короче. Около 4000 лет тому назад под рекой Евфрат был построен транспортный тоннель, который соединил царский дворец с храмом Юпитера на другой стороне реки. Длина тоннеля 920 метров, высота 3.6 метра, ширина 4.5 метра. Русло реки секционировалось перемычками. Тоннель строился открытым способом. Обделка тоннеля выполнялась из каменной кладкт на битумном цементе. Свод конструкции имеет арочную форму. Строительство такого тоннеля было бы событием и в настоящее время. При этом следует заметить, что следующий тоннель был построен лишь на 4000 лет позже в 1842 году под рекой Темза. Подземные сооружения многократно упоминаются историком Геродотом. В частности описываются фрагменты египетских пирамид. В Армении примерно 1500 лет до н.э. было построено множество каналов. Самый большой из них имел длину 20 км. Ряд каналов, построенных для целей эвигации действует до сих пор. В этот же период в городе Афины для водоснабжения был построен водовод Адриана с общей длиной тоннельных участков 25 км. Эти тоннели строили через шахты глубиной 10-40 метров для подачи породы и вентиляции забоев. После ремонта, произведенного 50 лет назад, тоннель работает вновь. В Римской Империи на озере Фуччанобыл построен тоннель для водоснабжения длиной 5.5 км и размерами 2х3 м. Его посетил Маяковский и написал о нем. Интересно заметить, этот тоннель блы облицован бетоном прочностью 10 мП на известковом р-ре. В 1450 году было начато строительство тоннеля на дороге между Ниццой и Веной. Вскоре, к сожалению, работы были приостановлены и возобновлены лишь через 300 лет.
В конце ХV века на территории московского Кремля было проложено несколько водопроводных тоннелей с обделкой из каменной кладки. ВXVIвеке в период правления Ивана Грозного в Москве велось активное подземное строительство. В 1852 году Азначееву была предпринята попытка строительства подводного тоннеля под рекой Москвой. ВXVIIвеке в Нижнем Новгороде вскоре было проложено несколько подземных ходов протяженностью до 200 метров с деревянным и каменным креплением. В России на Алтае в 1783-1785 гг построили сложную гидросиловую установку. Вода проходила на разных ярусах по тоннелям. Это позволило механизировать весь процесс добычи и подъема руды с глубины 150 метров. Отцом тоннелестроения стал М. Брюннель, в 1825 году предложил метод щитовой проходки, с помощью которого в мягких породах под рекой Темзы был пройден тоннель протяженностью 450 метров. Инженерами Трейтхедом и Барроу был построен второй подводный тоннель под Темзой длиной 450 метров и диаметров 2 метра. Для его проходки был использован щит кругового сечения с обделкой чугунных сегментов. Этот щит является прообразом современных тоннелепроходческих щитов.
С первой четверти ХIXвека во многих странах (Франция, Англия, Швейцария, Италия, Германия, Швеции, США, Россия) началось интенсивное строительство и тоннелей на них. Первый железнодорожный тоннель был построен в 1826-1829 гг в Англии на линии Манчестер-Ливерпуль. Второй – на линии Этьен-Лион. Во Франции был пущен в эксплуатацию через два месяца позже. Первый трансальпийский ж/д тоннель Мон-Сини был построен в 1871 году. Самым уникальным является симфлонский тоннель длиной 20 км, построенный в 1898-1906 гг в особо сложных инженерно-геологических условиях (большое горное давление, притоки воды с температурой 55 град. Цельсия). При строительстве этих ж/д тоннелей впервые были применены: щит Брюннеля(1825г), перфораторы(1851г), динамит.
Со второй половины XIX века в ряде стран приступили к строительству метрополитена. Важным этапом в становлении эпохи промышленного тоннелестроения является сооружение лондонского метрополитена, открытого в 1862 году. Первый участок имел протяженность всего 3.6 км, однако уже в 1863 году парламентская комиссия одобрила сооружение тридцатикилометрового тоннеля(подземной окружной железной дороги). Она введена в эксплуатацию в 1884 году и на одном из ответвлений включала в себя тоннель Брюннеля, оказавшийся самым старым участком лондонского метро. В Нью-Йорке метро было завершено в 1868 году. В Чикаго – в 1882 году, в Париже – в 1900 году, в Берлине – в 1902 году. Первый проект московского метрополитена был разработан в 1901 году, а затем усовершенствован в 1902 году. Инженерами были П.И Белинских, И.Е. Кноров. Но Московская городская дума 18 сентября 1902 года отклонила это проект. Главными оппонентами строительства стали: Московское археологическое общество, объединявшее виднейших историков России, москвоское духовенство. Только в 1931 году было организовано городское бюро техотдела Метростроя и началось строительство.
Первые ж/д тоннели в России были построены в 1859-1862 гг на железной дороге Санкт-Петербург – Варшава. В 1892 году в Грузии было завершено строительство четырехкилометрового тоннеля через суранский перевал. Строительство велось в трещиноватых породах с большим горным давлением способом опертого свода. В этом тоннеле впервые в России была применена гидравлическая машина для бурения шпуров. Расчет свода, как упругой арки, был выполнен по предложению профессора Л.Ф.Николаева.
По окончании Первой мировой войны в Италии на линии Флоренция-Болония был построен ж/д тоннель протяженностью 18510 метров. В 1936-1941 гг в Японии под симонесским проливом был постороен самый первый в мире протяженный подводный тоннель. Его длина составила 6330 метров. В 1939 году в Кардифолле был построен первый в мире подземный гараж, заглубленный под одной из площадей города на 10.6 метра, он одновременно являлся убежищем населения на особый период. С 1940 года в США начинают активно использовать известковые выброски для хранения скоропортящихся продуктов. До начала Второй мировой войны в Германии велось интенсивное строительство подземных заводов. Для этого использовались: существующие горные выработки с расширением отдельных участком до необходимых размеров, горизонтальные горные выработки внутри холмов или гор, подземные и полуподземные сооружения, возводимые в глубоких котлованах.
Одним из наиболее крупных заводов для производства ракетных установок ФАУ-1 и ФАУ-2 в Нортхаусе был расположен внутри большого холма. Завод состоял из двух параллельных тоннелей протяженностью 2.3 км, расположенных на расстоянии 1.4 км один от другого. Тоннели соединялись друг с другом сорокашестью поперечными выработками. Общая полезная площать подземного пространства составляла около 15 Га. В 1948 году в Ананталья (Финляндия) было сооружено несколько подземных хранилищ.
Говоря об истории подземного пространства нельзя обойти такой аспект, как строительство подземных гидротехнических сооружений, отличающихся наибольшей сложностью и трудоёмкостью по сравнению с промышленными и гражданскими объектами. Можно провести следующее сопоставление: площади поперечного сечения камерных выработок для машинных залов, уравнительных резервуаров и распределительных устройств подземных ГЭС нередко превышает 1000 м 2 то время как площадь перегонного сечения составляет 20-25 м 2 .
В качестве примера приведем проект подземного зала Рагунской ГЭС. Имеет длину 320 метров, ширину 20 метров и высоту 64 метра. Он запроектирован на глубине 500 метров от поверхности земли. В Финляндии с 1956-1975 гг построены 4 подземных ГЭС. Самые крупнейшие из них называются «Пирт-тикоски». Построены на глубине 100 метров над уровнем моря. Вода на гидротурбины подается по двум напорным тоннельным водоводам длиной 60 метров каждый с площадью поперечного сечения 130 м 2 (считается вторым по величине в мире). В 1979 году в Финляндии был построен гидротехнический тоннель протяженностью 120 км (площадт поперечного сечения 15.5 м 2). Он используется для водоснабжения Хельсинки. Не менее сложность представляет строительство подводных тоннелей. В 1983 году в Санкт-Петербурге был возведен автодорожный тоннель протяженностью около 1 км, обеспечивающим транспортную связь между Канонерским и Гутунерским островами. Подводный участок имеет протяженность 375 метров. Сооружен из опускных секций длиной 75 метров, шириной 13.3 метра и высотой 8.05 метра, выполненных из монолитного ж/б с наружней металлоизоляцией.
Испозование подземного пространства на ряду с сохранением земельных ресурсов позволяет решить еще ряд задач социального и экономического характера:
1) Размещение объектов газа, паров и жидкостей Источниками шума и другими вредными факторами воздействия на жизнедеятельность людей и природную среду; 2) Возведение объектов машиностроение с высокой точностью изготовления продукции, а также автоматизированных цехов и комплексов промышленных предприятий(включая учебные и научные лаборатории);
3) Надежное и безопасное хранение нефтепродуктов, газов, химических и медицинских препаратов, легко воспламеняющихся и опасных в-в, архивных материалов, музейных и культурных ценностей;
4) Устройство больниц, санаториев и госпиталей, спортивных сооружение в подземных сооружениях, размещаемых в специально подобранных горных породах;
5) Экономичное размещения перерабатывающих предприятий пищевой, химической, мясной, молочной, винодельческой и других отраслей промышленности, технология которых наиболее эффетивна в подземных условиях;
6) Организация перемещения людей, автомашин, поездов, воды, промышленных стоков.
Все это возможно при хорошей организации комплексного изучения инженерно-геологических, гидрологических и геометрических условий района строительства.
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
Конюхов Д.С.
Использование подземного пространства. Учеб. пособие для вузов. 2004.
В учебном пособии приводится широкий обзор истории освоенияподземного пространства в различных странах мира, подробно рассматриваются все существующие типы подземных сооружений, экологические аспектыстроительства и использования подземных сооружений. Большое внимание уделено повторному использованию ранее построенных подземных объектов иотработанных горных выработок. Для студентов строительных и архитектурных вузов и факультетов.
ПРЕДИСЛОВИЕ
Инженерное освоение подземного пространства — это одно из важнейших направлений, обеспечивающих устойчивостьразвития современного общества. Учебное пособие, которое вы держите в руках, предназначено для студентов высших учебных заведений, обучающихся понаправлению подготовки дипломированных специалистов 653 500 «Строительство» (специальности: 290 300«Промышленное и гражданское строительство», 291 400 «Проектирование зданий») и бакалавров по направлению 550 100«Строительство». В нём приводится обзор истории освоения подземного пространства в различных странах мира, включая Россию,рассматриваются практически все типы существующих в настоящее время в мире подземных сооружений, даются многочисленные примеры архитектурно-планировочных решений подземных объектов, построенных в последние годы. Отдельное внимание уделяется экологическим аспектам взаимодействия подземного сооружения с окружающей его природной и городской средой, комплексному использованию подземного пространства, а также повторному использованию ранее построенных подземных объектов различного назначения и отработанных горныхвыработок. В книге рассматриваются проблемы надёжности идолговечности подземных сооружений и излагается современная теория рисков применительно к подземному строительству. Подготовка и издание этого пособия стали возможными во многом благодаря постоянной помощи и поддержке деканафакультета Гидротехнического и специального строительства,заведующего кафедрой Подземного строительства игидротехнических работ МГСУ, доктора техн. наук, профессора М.Г. Зерцалова. Автор искренне благодарит рецензентов: докторов техн. наук, профессоров И.Я. Дормана и В.Е. Меркина за ценные советы и замечания при подготовке рукописи.
ВВЕДЕНИЕ
В последние годы во всём мире всё большее внимание при планировке и застройке крупных городов и городов-мегаполисов уделяется проблемам освоения подземного пространства, атакже строительству подземных объектов за пределами городской черты, обеспечивающих нормальное функционированиекрупных населённых, в особенности промышленных, центров. Такие проблемы, как дефицит городских территорий, постоянный рост населения городов, скопление на дорогах больших масстранспортных средств, неспособность городской инфраструктуры справиться с постоянно возрастающими нагрузками иухудшение экологической обстановки требуют всё более активногоиспользования подземного пространства, в том числе дляразмещения транспортных и инженерных систем, объектов торговли и бытового обслуживания, складов и автостоянок и т.п. Согласно современным исследованиям, в большинстве случаев подземные сооружения, несмотря на значительные затраты при ихвозведении, являются наиболее оптимальными решениями многихвопросов функционирования города.
Подземное пространство города — это пространство под дневной поверхностью земли, используемое как «одно из средств преодоления тенденции расширения города, предмет разработок новых концепций создания и сохранения естественной среды обитания, достижения приоритетов эколого-экономического благополучия и устойчивого развития, создания условийжизнедеятельности людей в экстремальных условиях» [РАСЭ, 1996]. Подземное пространство города включает: подземныетранспортные сооружения, размещение промышленных предприятий и предприятий обслуживания населения, подземные городские сети и сооружения инженерного оборудования, сооруженияспециального назначения. Комплексное освоение подземного пространства (рис. 1) характерно для крупных городов и городов- мегаполисов, в основном, в зонах общегородского центра ицентрах муниципальных районов, в зонах наиболее важныхтранспортных узлов и пересечений, на территориях промышленного и коммунально-складского назначения. Одним из аспектовкомплексного освоения подземного пространства являетсярациональное использование наземной территории, в частности:
строительство зданий и сооружений в условиях стеснённой городской застройки;
сохранение территории зелёных зон и мест отдыха,устройство в сложившейся застройке озеленённых и благоустроенных участков;
повышение художественно-эстетических качеств городской среды, сохранение исторически ценной территории;
сохранение и восстановление уникальных объектовландшафтной архитектуры;
доступность наиболее важных объектов городского значения и мест трудовой деятельности горожан, экономия времени;
улучшение транспортного обслуживания, повышениебезопасности движения, снижение уличных шумов;
сокращение длины инженерных коммуникаций;
защита населения в периоды возможных природных итехногенных аварий и катастроф.
Во всех мировых столицах ведётся активное освоениеподземного пространства. Не являются исключением и крупныегорода нашей страны, в первую очередь Москва иСанкт-Петербург. По сути дела, на наших глазах создаётся новая подземная инфраструктура крупных городов, в ходе проектирования истроительства которой необходимо учитывать целый ряд факторов, и, прежде всего, влияние техногенных процессов на экологию подземного пространства и состояние гидрогеологической среды.
Гиперконцентрация населения, инфраструктуры ипромышленного производства приводит к огромной перегрузкегеоэкологической и гидрогеологической сред крупных городов и вызывает в них необратимые изменения. На территории Москвы подвоздействием техногенных факторов развивается гравитационное идинамическое уплотнение пород, сдвижение пород в массиве,гидростатическое взвешивание и сжатие рыхлых водовмещающих пород, механическая и химическая суффозия. Наиболее активно воздействие города проявляется в поверхностных слоях земной коры на глубинах до 60—100 м, однако, в отдельных случаях, это воздействие может проявляться и на глубинах до 1500—2000 м от дневной поверхности*. Наиболее существенное влияние нагеоэкологическую среду оказывают: воздействие наземнойтехносферы города, создание подземных выработок, откачкаподземных вод, нарушение инфильтрационного баланса грунтовых вод. Нарушение природного баланса грунтовых вод, например,приводит к изменению напряжённо-деформированного состояния породного массива и уплотнению пород в пределах депрессионных воронок, образующихся при водопонижении. Это, в свою очередь, вызывает деформации земной поверхности истановится причиной многочисленных аварийных ситуаций. Всёвышеперечисленное свидетельствует о том, что на территории Москвы протекают значительные изменения геологической среды иприродный ресурсный потенциал уже, практически, не в состоянии обеспечить своё самовосстановление. Примерно 48 %территории города находится в районах геологического риска, 12 % — в районах потенциального геологического риска и лишь 40 %территории характеризуются как стабильные. На настоящий момент «освоение подземного пространства является ключом к сохранению окружающей среды, а такжефактором, оказывающим благоприятное влияние на сохранениесреды обитания человека в крупных городах» [Петренко, 1998].
Этого благоприятного влияния можно достичь за счёт:
— более полного использования подземного пространства, как среды обитания человека;
— расширения области применения «экологичных» способов строительства подземных сооружений;
— контроля за просадками дневной поверхности и ихпредотвращение;
— нестандартных архитектурно-планировочных решений с учётом экологических требований при использованииподземного пространства.
Среди большого количества объектов подземнойинфраструктуры существенная роль отводится системам исооружениям транспортного назначения. К их числу принято относить:
объекты городского скоростного внеуличного пассажирского рельсового транспорта (метрополитен, скоростной трамвай,городская железная дорога);
пересечения городских улиц и дорог в разных уровнях,транспортные тоннели, подводные тоннели, подземные пешеходные переходы и т.д.;
объекты, связанные с хранением и обслуживаниемавтомобильного транспорта (гаражи для постоянного храненияавтотранспорта, гостевые автостоянки-паркинги);
многофункциональные, многоуровневые объекты икомплексы различного назначения, взаимосвязанные с наземнымизданиями, а также сооружениями и устройствами транспортногоназначения с различными формами использования подземногогородского пространства (вокзалы, торговые центры, станцииметро и т.д.).
Среди подземных систем специализированногопассажирского транспорта в городах нашей страны преобладаютметрополитены. В настоящее время метрополитены эксплуатируются истроятся в десяти городах России: Екатеринбурге, Казани,Красноярске, Москве, Нижнем Новгороде, Новосибирске, Омске,Санкт-Петербурге, Самаре, Челябинске, а проектируется — в Уфе. В последние годы всё более широкое распространениезавоёвывает тенденция создания новых транспортных линий,призванных обеспечить связь деловых, культурно-исторических и торговых центров между собой и с районами массовой жилой застройки, расположенными на окраинах крупных городов. Это позволит увеличить скорость сообщения и улучшить качество обслуживания пассажиров. К таким линиям, в первую очередь, относятся «мини-метро», имеющие меньшие размеры туннелей и станций «в свету», более короткие расстояния между станциями, более низкие скорости движения подвижного состава. Дополняя уже существующие сети метрополитена, проектируются системы «метро центра», которые позволяют создавать более удобные связи для внутрицентровых перевозок. Также в Москвепланируется создание сети экспрессных линий метрополитена. Такиесистемы существуют во многих крупных городах мира: Париже, Лондоне, Нью-Йорке и многих других (рис. 2). Интеграцияразличных внеуличных систем рельсового транспорта позволяет приблизить пассажиров к наиболее посещаемым местам города. Каркасом современного города является улично-дорожная сеть, которая также взаимосвязана с проблемами освоения ииспользования подземного пространства. В Москве многиетранспортные пересечения в разных уровнях решены сиспользованием тоннелей. Использование разноуровневых пересечений (вчастности, тоннельного типа) упорядочивает условия движениягородского наземного транспорта, сокращает уровень транспортных шумов и загрязнения воздуха выхлопными газамиавтомобилей, снижает число дорожно-транспортных происшествий.
С подземными транспортными системами непосредственно связана ещё одна градостроительная проблема — организация постоянного и временного хранения автомобильного транспорта. При решении этой проблемы необходимо, сочетая различные приёмы и максимально учитывая всю совокупность конкретных условий, применять новые технологии использованияподземного пространства, являющиеся особенно перспективными дляпереуплотнённых и реконструируемых центральных районовгородов-мегаполисов.
Комплексное использование подземного пространствасдерживает дальнейший рост территорий крупных городов ипозволяет решать совместно градостроительные, транспортные,инженерные и социальные проблемы, улучшатьархитектурно-планировочную структуру городов, освободить поверхность земли от многих сооружений вспомогательного характера, рационально использовать городские территории для жилищногостроительства, создать места отдыха горожан, улучшатьсанитарно-гигиеническое состояние города, сохраняя архитектурныепамятники — эффективно размещать объекты инженерногооборудования и т.д.
1. ИСТОРИЧЕСКИЙ ОБЗОР ИНЖЕНЕРНОГО ОСВОЕНИЯ ПОДЗЕМНОГО ПРОСТРАНСТВА
1.1. Краткий исторический обзор подземного строительства в мире
Освоение человеком подземного пространства началось в глубокой древности. Прототипом подземных сооружений можно считать естественные пещеры и пустоты в скальных породах,используемые нашими предками. Пещера стала первым жилищем человека, защищавшим его от непогоды и хищников. Примерно в
то же время человек начал подземным способом разрабатывать горные породы для получения различных полезных ископаемых. В.М. Слукиным [Слукин, 1991] предлагается периодизация подземных сооружений по эпохам:
1) поздний палеолит и неолит (до 4 тысячелетия до н.э.);
2) древний мир (4 тысячелетие до н.э. — IV вв. н.э.);
3) средневековье (V—XI вв.);
4) новое время (после XII вв.).
Российским обществом спелеостологических исследований разработан «Кадастр искусственных пещер и подземныхархитектурных сооружений на территории Евразийского иАфриканского континентов»*. В зависимости от культурно-цивилизационных факторов, исторических предпосылок, основного родазанятий населения и проч. в «Кадастре» выделяются восемь спелеостологических стран Старого Света.
1. Восточнославянская. Целиком располагается натерритории СНГ и занимает достаточно однородную, с точки зрения культуры освоения подземного пространства, территорию:большую часть России, Белоруссии, Украины, север Казахстана. На этой территории с древности сооружались подземные объекты культурного и бытового назначения, культовые сооружения,убежища, фортификационные подземные ходы, рудники икаменоломни.
2. Западноевропейская. Занимает территорию Европы, стран Балтии, Северо-Западной Белоруссии, Закарпатья. Этатерритория характеризуется широким и прагматичным использованием подземного пространства* уже многие тысячелетия здесьприменяются подземные выработки, оборонительные сооружения,убежища, хозяйственные сооружения, некрополи.
3. Переднеазиатская. Включает Бессарабию, Горный Крым и Кавказ. Для этой территории с глубокой древности характерно комплексное использование больших групп подземных объектов различного назначения: жилых, хозяйственных,оборонительных, транспортных, культовых — входящих в пещерные города и подземные монастыри. На этой территории находятся широко известные в мире подземные города-монастыри (Каппадокия, Турция); большие подземные комплексы оборонительного ихозяйственного назначения.
4. Среднеазиатская. Располагается на территориисреднеазиатских государств СНГ, восточного Азербайджана, Ирана иСеверного Афганистана. Освоение подземного пространства здесь началось со строительства в предгорьях водоподводящих систем — кяриязов, суммарной протяженностью в десятки тысяч километров. В горных районах с 15 тысячелетия до н.э.развивалось горнорудное дело. Кроме этого в этом районе находятподземные ходы оборонительного назначения, а такжемусульманские и буддийские культовые пещеры.
5. Южноазиатская. Занимает полуостров Индостан иприлегающие районы. Характеризуется развитием горного дела,наличием подземных цистерн, группами крупных подземных храмов с высеченными в скале архитектурными элементами —колоннами, скульптурами и проч.
6. Восточноазиатская. В основном, находится на территории Китая. Уникальные достижения древней и средневековой науки Китая способствовали созданию оригинальных и разнообразных подземных сооружений: пещерных храмов, некрополей,водоводов, транспортных коммуникаций. Особенно интенсивнымразвитием характеризовалось жилищное строительство — и в наше время в пещерных поселениях Китая проживают десяткимиллионов человек
7. Североафриканская. Находится на территории Древнего Египта и стран Северной Африки. В основном характеризуется подземными сооружениями культового назначения: гробницами и храмами, а также подземной добычей полезных ископаемых. В Ливии и Алжире сохранились сетчатые водособирающиеподземные системы, напоминающие кяриязы; в Эфиопии —оригинальные подземные храмы. В странах Северной Африки для защиты от жары жители периодически сооружали подземные жилища.
8. Экваториальноафриканская. На территории ЧёрнойАфрики к югу от Сахары к настоящему времени не обнаруженоникаких признаков подземного строительства. В Восточной Африке, видимо, вследствие культурного взаимообмена с Индией,Египтом и арабскими странами, подземным способомразрабатывались полезные ископаемые. Первое свидетельство постройки тоннеля, зафиксированное в исторических документах, относится к 2 150 году до нашей эры. Это был подводный пешеходный тоннель протяжённостью 900 м и размерами в свету 4 х 3,6 м под рекой Евфрат в Вавилоне,соединявший царский дворец с храмом Юпитера. На время строительства русло реки шириной 180 м было отведено в сторону и все работы произведены насухо в открытом котловане. Стены и свод тоннеля состояли из кирпичной кладки на битумномвяжущем.
Подземные сооружения многократно упоминаютсяисториком Геродотом. В частности, им описываются подземныефрагменты египетских пирамид (около 2500 года до н.э.), подземные покои египетской царицы Нитокрис (около 700 года до н.э.),тоннель длиной около 1600 м на острове Самос в Эгейском море, пройденный в известняке с помощью молотков и зубил. Вот что пишет сам Геродот об этом сооружении: «Сквозной тоннель в горе высотой в 150 оргий*, начинающийся у её подошвы свыходами по обеим сторонам. Длина тоннеля 7 стадий, а высота и ширина по 8 футов. Под этим тоннелем по всей его длине они прокопали канал глубиной в 20 локтей и 3 фута ширины, через который в город по трубам проведена вода... Строителем этого водопроводного сооружения был Евпалий, сын Навстрофа. В течение многих веков этот тоннель считался неизвестным и вновь был открыт лишь в 1882 году. При его обследовании было выяснено, что трасса тоннеля состоит из двух прямых,соединённых обратными кривыми. К первому тысячелетию до н.э. историки относят подземные города на территории современных Грузии и Армении. В Грузии, недалеко от города Гори, сохранился древний подземный город Уплисцихе (рис. 1.1), сообщавшийся с р. Курой с помощьютоннеля. Для сбора грунтовых и атмосферных вод использовалась система шахт, соединявшихся между собой подземными ходами, проложенными на глубине около 50 м от поверхности земли.
Подземные выработки возводились без обделки и лишь в отдельных случаях закреплялись каменной кладкой. Около 50 года до н.э. римлянами был пробит тоннель длиной около 5 км для отвода воды из озера Фучино. Согласно историку Плинию, тоннель строился в течение 11 лет, работы велись встречными забоями примерно из 40 шахт. В начале 1-го века н.э. римлянами был построен тоннельдлиной 900 м и шириной 8 м на дороге Неаполь — Понцуоли.Тоннель проложен под холмом Посилипо, сложенным извулканического туфа. Высота тоннеля у входного и выходного портала составляет 25 м, а к середине она постепенно уменьшается.
Предполагается, что вертикальные раструбы предназначались для улучшения освещения дневным светом. Около 300 года н.э. на территории современной Турции был построен тоннель, выполнявший одновременно функцииводопровода и подземного судоходного канала. При императоре Адриане римлянами был сооружен тоннель для водоснабжения Афин. В период турецкого владычествачисленность населения города резко упала, тоннель был заброшен и вновь запущен в эксплуатацию спустя столетия — в 1840 году. В 1925 году афинский водопровод был расширен иреконструирован, вследствие чего старый римский тоннель продолжаетэксплуатироваться до сих пор.
Древние славяне в середине и второй половине 1-готысячелетия н.э. в качестве основного вида жилища использовалиполуподземные сооружения — землянки (рис. 1.2). К VIII—IX векам относятся катакомбные погребения в Хазарии. Основу этого погребального сооружения составляли катакомбы, вырытые в твердом грунте на склонах холмов. Каждая катакомба состояла из двух частей — коридорного входа ипогребальной камеры.
В Грузии на скалистом обрыве высотой 105 м на левом берегу р. Куры в XII—XIII вв. был высечен подземный комплекс Вардзиа. Комплекс представляет собой 8 этажей пещер, пройденных в вулканических туфах на участке шириной около 500 м (рис. 1.3). В центре пещерного комплекса находится церковь УспенияБогоматери, относящаяся, по росписи стен, к 1184—1186 годам. К западу от церкви расположена колокольня. Между ними, а также западнее и восточнее, находятся сотни общественных, культовых и жилых помещений, связанных коридорами, площадками илестницами. Для водоснабжения комплекса его строителями был пробит тоннель протяжённостью 3,5 км, по дну которого пролегали два гончарных трубопровода. Вода по ним шла самотёком.
Пропускная способность этого водопровода составляла более 160 000 л/сут. Между 400-ми и 1400-ми годами историками отмечаетсяпочти тысячелетний застой в европейском тоннелестроении. Здесь необходимо отметить, что данный временной перерыв относится, в первую очередь, к строительству объектов общественного(промышленного и гражданского) назначения. Строительствоподземных сооружений оборонного и специального назначения не прерывалось практически никогда. Более подробно это вопрос будет рассмотрен в следующих разделах на примере освоения подземного пространства России, стран СНГ и Москвы. Начиная с XIII в. на юго-востоке Нидерландов широкоераспространение получила подземная добыча известняка для строительства. Всего зарегистрировано около 250 каменоломен, восновном, частного характера, площадью от нескольких десятков метров до 100 га [Бреулс, 1998]. Большинство этих выработок, расположенных на глубине 20—25 м, сосредоточено в долина Зихен и Зассен в 10 км от Маастриха. Добывая камень, рабочие прокладывали глубокие шахты к пласту известняка. Придостижении пласта прорезали отдельный ход со ступенями, идущий к кухне, сараю или хозяйственной постройке на дневной поверхности. По окончании строительства выработки использовались как хранилища, колодцы (при повышении уровня грунтовых вод), убежища на время многочисленных войн. На стенах шахтнаходят рисунки всадников и солдат, изображённых в униформеармий практически всех стран мира, проходивших за истекшие 7 веков через территорию Нидерландов. В 1450 году было начато строительство тоннеля на дороге между Ниццей и Генуей. Вскоре работы были приостановлены и возобновлены лишь через 300 лет. Однако в 1794 годустроительство было полностью прекращено и над незаконченнымтоннелем устроена дорога.
В конце XV в. на территории Московского Кремля былопроложено несколько водопроводных тоннелей с обделкой изкаменной кладки. В XVI в., в период правления Ивана Грозного, в Москве велось активное подземное строительство. В частности, в 1657 году В. Азначеевым была предпринята попыткастроительства подводного тоннеля под р. Москвой. В XVII в. в Пскове и Великом Новгороде было проложено несколько подземныхходов протяжённостью до 200 м с деревянным и каменнымкреплением свода и стен.
В XVII—XIX вв. во Франции было пройдено несколькосудоходных тоннелей:
в 1679—1681 годах на участке Лангедокского канала,соединявшего р. Гаронна со Средиземным морем, тоннель длиной 164 м, высотой 8,2 м и шириной 6,7 м, пересекающий возвышенность Мальпас к северу от Пиренеев (Мальпасский тоннель, впервые в истории тоннельного дела, был пройден с применением пороха);
в 1784—1838 годах в разделительном бьефе канала Нивернэ между реками Сана и Луара были построены три судоходных тоннеля общей протяжённостью около 1500 ми шириной 7 м;
в 1787—1789 годах на Центральном канале между реками Луара и Сена был сооружён тоннель Торси длиной 1276 м,шириной 2,6 м и высотой 2,9 м;
в 1802—1809 годах на Сен-Кантенском канале между реками Уаза и Шельда были пройдены два тоннеля: Рикеваль, длиной 5670 м, и Тронкуа, длиной 1098 м. Ширина этих тоннелей — 8 м.
В общей сложности, к началу XIX в. во Франции былипостроены около 40 судоходных тоннелей. Не отставала от Франции и её историческая соперница — Англия: в период с 1766 по 1769 годы на канале, соединяющем каменноугольные копи с Манчестером, были пройдены 5судоходных тоннелей, самый протяжённый из которых — Харкэстль, — имел длину 2632 м, ширину 2,7 м и высоту 3,7 м. В 1825—1827 годах параллельно ему был пройден ещё одинтоннель длиной 2675 м, шириной 4,3 м и высотой 4,9 м. Всего за тот же период времени, что и во Франции, в Англии были построены около 60 судоходных тоннелей.
В США первый судоходный тоннель длиной 137 м, шириной 6,1 м и высотой 5,5 м был построен в 1818—1821 годах на Шюйкильском канале. В 1828 году в Пенсильвании был сооружёнсудоходный тоннель Лебанон длиной 223 м, шириной 5,5 м ивысотой 4,6 м.
Вторую четверть XIX в. можно считать началом эпохипромышленного тоннелестроения. Наряду с судоходными, активно возводилась железнодорожные тоннели. Первый из них был проложен в 1826—1830 годах в Англии на линии Ливерпуль- Манчестер, длина его составляет 1190 м. В тоже время воФранции был построен железнодорожный тоннель на линии Роанн — Андрезье. В США первый железнодорожный тоннель былсооружён в 1831-1833 годах на линии Аллегэни—Портэдж вПенсильвании. Длина тоннеля составила 270 м, высота 5,8 м,ширина 6,1 м.
«Отцом тоннелестроения» М. Брюннелем в 1825 году был предложен метод щитовой проходки, с помощью которого вмягких породах под р. Темзой был прорыт тоннель протяженностью 450 м (рис. 1.4). Строительство было завершено в 1832 году.
Инженерами Барлоу и Трейтхедом в 1869 году был сооружёнвторой подводный тоннель под Темзой длиной 450 м и внутренним диаметром 2 м. Для его проходки был использован щиткругового сечения с обделкой из чугунных сегментов. Этот щит является прообразом современных тоннелепроходческих щитов.
Важным этапом становления эпохи промышленноготоннелестроения является сооружение Лондонского метрополитена,открытого для движения в 1862 году. Первый участок имелпротяжённость всего 3,6 км, однако уже в 1863 году парламентскаякомиссия одобрила сооружение 30-ти километровой подземной окружной железной дороги. Она была введена в эксплуатацию в 1884 году и на одном из ответвлений включила в себя тоннель Брюннеля, оказавшийся самым старым участком Лондонского метро. В 1890 году на подземной части Южно-Лондонскойлинии была введена электрическая тяга поездов. До этого поезда ходили на паровой тяге и тоннели были заполнены паровозным дымом и копотью.
Первые методы механизации проходческих работ былиразработаны в середине XIX в. во время строительства протяжённых альпийских тоннелей. Первым из них стал двухпутный Мон-Сенисский тоннель между Францией и Италией протяжённостью 12 850 м. Работы были начаты в 1857 году, но продвигалиськрайне медленно. Для увеличения скорости проходки былисконструированы бурильные машины, работающие от сжатого воздуха, а в январе 1861 года здесь впервые было применено механическое бурение. Движение в тоннеле было открыто 17 сентября 1871 года.
Второй альпийский тоннель — Сен-Готард, — начали строить в сентябре 1871 года (рис. 1.5). Двухпутный тоннель длинойоколо 16 300 м проходит в сильно нарушенных гранитах, гнейсах, сланцах и др. породах. При его сооружении порох впервые был заменён динамитом, применены гидравлические бурильныемашины и механическая откатка породы. Строительство былозавершено в 1882 году.
Дальнейшее совершенствование методов проходкипозволило пройти двухпутный Альбергский железнодорожный тоннель длиной 10 270 м между долинами рек Инн и Рейн за четыре года: с 1880 по 1884 годы.
Значительно более грандиозный Симплонский тоннельмежду Италией и Швейцарией, протяжённостью 19 780 м, былпостроен в период с 1898 по 1906 годы. Значительная длинасооружения заставила его проектировщиков отказаться от принятой для всех остальных альпийских тоннелей двухпутной схемыдвижения и заменить её двумя параллельными однопутнымитоннелями, расположенными на расстоянии 17 м один от другого.
В этот же период времени были сооружены ещё около 10 альпийских тоннелей протяженностью от 6100 м до 14 600 м. Наибольшую трудность вызвало строительствотоннеля Лечберг. Строительство было начато в 1906 году и до июля 1908 года проходило нормально. 24 июля 1908 года произошёл внезапный прорыв воды в тоннель и участок протяжённостью 150 м был заполнен жидкой массой песка, ила и щебня. При проведении обследования было выявлено, что тоннель пересёк тектонический разлом, заполненный аллювиальнымиотложениями. Через этот разлом прошла вода из р. Кордер,расположенной на высоте 180 м над трассой тоннеля. Строителями было принято решение обойти место прорыва, что увеличило общую длину сооружения на 870 м.
Немного раньше тоннеля Лечберг на севере Италии был пройден однопутный тоннель Гатико протяжённостью 3 310 м. При его строительстве впервые были применены вертикальные кессоны для проходки участка длиной 344 м в слабыхводоносных грунтах.
Первые железнодорожные тоннели в России былисооружены в 1859 — 1862 годах на железной дороге «Санкт-Петербург- Варшава».
В 1892 году в Грузии было завершено строительствочетырёхкилометрового тоннеля через Сурамский перевал.Строительство в трещиноватых породах с большим горным давлением, в основном, велось способом опёртого свода. В этом тоннеле,впервые в России, была применена гидравлическая машина длябурения шпуров. Расчёт свода, как «упругой арки», был выполнен по предложению проф. Л.Ф. Николаи. По окончании Первой мировой войны в Италии на линии Флоренция—Болонья был выстроен железнодорожный тоннель протяжённостью 18 510 м. В 1923—1927 годах в штате Колорадо (США) был сооружён однопутный Моффатский тоннель сечением 4,8x7,2 м и длиной 9 800 м. Начатый в 1922 году, почти одновременно с ним,тоннель Шилизу в Японии, протяжённостью 9 700 м, был завершён лишь в 1931 году.
В сложных гидрогеологических условиях велосьстроительство Таннского тоннеля длиной 7 800 м, расположенного нажелезной дороге Токио—Кобэ. Строительство было начато в 1918 году и завершено в 1934 году. В 1936—1941 годах в Японии под Симонесским проливом был построен один из первых в мире протяжённых подводных тоннелей. Его длина составила 6 330 м.
В 1939 году в Кардифоре (США) был построен, по-видимому первый в мире, подземный гараж. Заглублённый под одну из площадей города на 10,7 м, он одновременно являлся убежищем для населения на особый период. С 1940 года в США начинают активно использоваться заброшенные выработки в известковых карьерах в качестве холодильников для длительного хранения скоропортящихся пищевых продуктов. Исследования,проведённые американскими специалистами, показывают, что вподземных известковых выработках в течение длительного временисохраняются постоянная температура и влажность. В случаеотключения приборов охлаждения температура в подземных складских помещениях поднимается на 3 °С в течение 60 дней.
А в 1948 году в г. Наантали (Финляндия) было сооружено одно из первых в мире подземных нефтехранилищ.До начала Второй мировой войны в Германии шлоинтенсивное строительство подземных заводов. Для этого использовались:
существующие горные выработки с расширением отдельных участков до необходимых размеров;
горизонтальные горные выработки внутри холмов или гор;
подземные и полуподземные сооружения, возводимые вглубоких котлованах (нередко использовались глубокие овраги, тальвеги и прочие естественные углубления).
Одним из наиболее крупных был завод для производстваракетных установок ФАУ-1 и ФАУ-2 в Нордхаузе (Тюрингия),расположенный внутри большого холма. Завод состоял из двухпараллельных тоннелей длиной 2,3 км и шириной 12,5 м,расположенных на расстоянии 1,4 км один от другого. Тоннелисоединялись друг с другом 46-ю поперечными выработками. Общаяполезная площадь подземного пространства составляла около 15 га. По окончании Второй мировой войны строительствоподземных заводов приобрело широкий размах в Великобритании. Для этого, обычно, использовались заброшенные горные выработки. Например, в одной из заброшенных шахт, существовавшей ещё в Первую мировую войну, был размещён подземный завод поизготовлению деталей самолётов. Общая полезная площадь завода составляла около 6 км2.
Говоря об истории подземного строительства, нельзя обойти вниманием такой немаловажный аспект, как строительствоподземных гидротехнических сооружений, отличающихсянаибольшей сложностью и трудоёмкостью по сравнению спромышленными и гражданским объектами. Так, можно привестиследующее сопоставление: площади поперечного сечения камерныхвыработок для машинных залов, уравнительных резервуаров ираспределительных устройств подземных ГЭС нередко превышают 1 000 м2 , гидротехнических тоннелей — 200 м2 , в то время как площадь поперечного сечения перегонных, тоннелейметрополитена составляет 20—25 м2 [Мостков, Орлов, Степанов, 1986]. В качестве примера приведём проект подземного машинного зала Рогунской ГЭС (рис. 1.6). Подземный машинный зал Рогунской ГЭС длиной 320 м, шириной 27 м и высотой 64 м запроектирован на глубине 500 м от поверхности земли. В непосредственнойблизости от него — помещение силовых трансформаторов шириной 20 м, высотой 38 м и длиной 180 м, отделённое от машинного зала скальным целиком шириной 38 м. Общий объём подземных выработок на Рогунском гидроузле — около 5,3 млн. м3, а ихпротяжённость — около 60 км.
...В условиях современных городов во многих случаях целесообразно их многоуровневое развитие, включающее широкое использование подземного пространства.
Подземное пространство города - пространство под дневной поверхностью земли, используемое для расширения городских территорий, создания новых концепций естественной среды обитания и ее сохранения, обеспечения эколого-экономического благополучия и устойчивого развития.
В то же самое время надо признать, что под землей жизнедеятельность людей осуществляется в экстремальных условиях. Соответственно при использовании подземного пространства целесообразно избегать длительного пребывания там людей.
Подземное пространство города включает: транспортные сооружения, промышленные предприятия и предприятия обслуживания населения, инженерно-коммуникационные городские сети и оборудование, а также различные сооружения специального назначения. Комплексное освоение подземного пространства характерно для крупных городов и мегаполисов, в основном, в общегородском центре и в центрах муниципальных районов, в зонах наиболее важных транспортных узлов и их пересечений, на территориях промышленного и коммунально-складского назначения.
Комплексное освоение подземного пространства способствует рациональному использованию наземной территории. При корректной организации оно обеспечивает:
- - строительство дополнительных зданий и сооружений в условиях стеснённой городской застройки;
- - сохранение и развитие территории зелёных зон и мест отдыха;
- - повышение художественно-эстетических качеств городской среды, сохранение исторически ценной территории и уникальных объектов ландшафтной архитектуры;
- - улучшение транспортного обслуживания, повышение безопасности движения, снижение уличных шумов и, наконец, экономию времени, затрачиваемого на пользование транспортной инфраструктурой;
- - сокращение длины инженерных коммуникаций;
- - защиту населения от возможных природных и техногенных аварий и катастроф.
Подземными называют сооружения, главные части которых расположены под землей но эксплуатационным соображениям. По своему назначению подземные сооружения подразделяют на:
транспортные (пешеходные, автотранспортные и железнодорожные тоннели, метрополитены, автостоянки и т.д.);
промышленные (корпуса первичного дробления руды, скиповые ямы доменных цехов, подземные части бункерных эстакад, установок грануляции шлаков, непрерывной разливки стали и проч.);
энергетические (подземные комплексы ГЭС и АЭС, шинные и кабельные тоннели и шахты, энергетические водоводы и т.д.);
хранилища (нефти, газа, вредных и радиоактивных отходов, холодильники);
общественные (предприятия коммунально-бытового обслуживания, торговли и общественного питания, складские, спортивные и зрелищные сооружения и т.д.);
инженерные (тоннели и сетевые и водопроводные коллекторы, бензопроводы между автозаправочными станциями, очистные и водозаборные сооружения и др.);
специального и научного назначения (ускорители заряженных частиц, тоннели для аэродинамических испытаний, подземные заводы, объекты обороны).
Среди большого количества объектов подземной инфраструктуры наиболее существенная роль отводится системам и сооружениям транспортного назначения. Б городах такими объектами являются системы скоростного внеуличного пассажирского рельсового транспорта (метрополитен, скоростной трамвай, городская железная дорога). Не менее важны пересечения городских улиц и дорог, транспортные и подводные тоннели и подземные пешеходные переходы. Под землей располагаются объекты, связанные с хранением и обслуживанием автомобильного транспорта (гаражи для постоянного хранения автотранспорта, гостевые автостоянки-паркинги), а также многофункциональные, многоуровневые объекты и комплексы, связанные с наземными зданиями и сооружениями транспортного назначения (вокзалы, торговые центры, станции метро). Таким образом, использование подземных сооружений позволяет пересмотреть структуру городов и разгрузить их, избавив от промышленных и складских объектов, хранилищ и транспортных магистралей.
В последние годы в подземном пространстве городов размещают многоярусные многофункциональные комплексы культурно-бытового обслуживания населения и инженерного обеспечения. Наиболее часто в состав подземных комплексов включают предприятия торговли, общественного питания и бытового обслуживания, складские помещения, транспортные и инженерные коммуникации, то есть такие объекты, которые предусматривают ограниченное по продолжительности пребывание людей. В зависимости от конкретных условий, подземные комплексы могут иметь от 2 до 6 ярусов. Площадь отдельных ярусов и их высоту устанавливают в зависимости от назначения подземного объекта. Для перемещения людей внутри комплекса, в ряде случаев, предусматривают эскалаторы и лифты. В целях снижения негативного психофизического воздействия, многоярусные подземные объекты имеют дневное освещение через атриумы различных конструкций в комбинациях с искусственным освещением, цветную отделку. Нередко при их оформлении используются натуральные материалы. Системы транспорта и подъёма обеспечивают перемещение посетителей и обслуживающего персонала внутри комплекса. Отдельное внимание при проектировании многофункциональных подземных комплексов, предназначенных для постоянного присутствия неограниченного числа людей, уделяется созданию комплексных, многоуровневых систем безопасности .
