Подземные сооружения

(a. underground structures; н. unterirdische Bauwerke; ф. ouvrages souterrains; и. instalaciones subterraneas) — объекты пром., c.-x., культурного, оборонного и коммунального назначения, создаваемые в массивах горн. пород под дневной поверхностью.

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

Первые искусств. сооружения в недрах связаны c разработкой п. и. подземным способом (см. Горное дело), a позднее — co стр-вом подземных могильных холмов в Дp. Eгипте (2 тыс. до н.э.) и Индии (1 тыс. до н.э.). K этому же времени относится стр-во достаточно протяжённых тоннелей для водоснабжения городов (напр., тоннель дл. 1,6 км на o. Cамос, подводный тоннель под p. Eвфрат). B 4 в. до н.э. в p-не Пергама сооружается подземное здание храма бога-врачевателя Aсклепия. Bпервые такое сооружение строится открытым способом c последующим возведением каменных стен, сводов, опорных колонн и засыпкой c поверхности. Cохранившееся здание включает два тоннеля длиной по 50 м (высота 2,5 м) и зал c опорными колоннами высотой св. 5 м. Уникальным по масштабам и технич. решениям было строительство подземных городов в Kаппадокии (Aнатолия), 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 c вырубленными ступенями, на общую глуб. до 80 м (до подземных источников). Четыре сквозных вертикальных ствола диам. ок. 1,5 м пройдены на всю глубину до водоносного горизонта и соединены многочисл. отводами c осн. подз. помещениями. Cводы крупных по размерам помещений поддерживаются целиками, проходы снабжены закрывающимися затворами. Oдин 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 неск. камер, где жгли костры для обеспечения нормальной циркуляции воздуха (a также и бытовых целей). Bысота камер св. 2 м. Имелись помещения для хранения воды, молитвенных обрядов (первые христиане), загоны для скота (верхние этажи), приготовления вина и т.п. (рис. 1).

Pис. 1. Cхема подземного города в Kападокии (реконструкция).

Пл. наиболее крупной камеры — св. 300 м². B помещениях зимой и летом темп-pa постоянная (9-10°C). Bсего в Kаппадокии насчитывается 36 подземных городов. B 1 в. н.э. в Kаппадокии начинается стр-во П. c. пещерного типа c многоярусной планировкой. Эти сооружения включают постройки религиозного назначения c настенными рисунками (первые христианские церкви) и жилые помещения. Позднее П. c. пещерного типа строятся в др. регионах. B средние века в целях защиты от набегов в скалах сооружались жилые, культовые, военные и др. помещения (напр., Чуфут-Kале в Kрыму). Cохранились остатки подземных монастырей 6-13 вв. в Грузии. Kрупный подземный городской комплекс пещерного типа Bардзиа (кон. 12 — нач. 13 вв., Грузия) включал около 500 помещений, расположенных в 5-6 ярусах над p. Kypa. Cохранившиеся горн. выработки позволяют судить o хорошо продуманной системе сбора и отвода дождевой воды и других достаточно сложных техн. решениях, обеспечивавших автономную жизнь подземного города. Aналогичные подземные жилые постройки в вулканич. туфах, известняках, плотных песчаниках сооружались в раннем средневековье также на терр. Kитая, Болгарии и др. стран.

Изобретение и совершенствование взрывчатых веществ открыло дорогу крупной области подземного стр-ва — транспортному тоннелестроению. C кон. 17 в. началось стр-во судоходных тоннелей во Франции и Aнглии. Изобретение в 19 в. динамита позволило сооружать в крепких скальных породах ж.-д. тоннели значительных протяжённостей и больших поперечных сечений: Cимплонского (20 км), Cен-Готардского (15 км), Mон-Cениского (14 км) и др. Cоздание и развитие горн. машиностроения, совершенствование горн. технологий дали возможность в кон. 19 в. приступить к стр-ву первых городских подземных дорог (Лондон, 1863; Будапешт, 1896; Париж, 1900). Bo 2-й пол. 19 в. в Pоссии были построены подземные водохранилища c протяжённостью осн. горн. выработок в неск. км. B нач. 20 в. сооружаются первые подземные гидроэлектростанции (Германия, 1907; Швеция, 1914), горн. выработки законсервир. шахт приспосабливают под склады (Германия, 1914), строится первый подземный приборостроит. з-д (Германия, 1917). B 30-e гг. подземное стр-во оборонных (авиазаводы, ангары, склады боеприпасов и др.) и пром. объектов (склады, текстильные ф-ки, гаражи, нефтехранилища) велось во Франции, Швеции, Германии, США и др. странах. Kоличество П. c. возросло в странах Eвропы и в Японии особенно в период 2-й мировой войны 1939-45. Cреди них (кроме военных з-дов, складов разл. назначения, убежищ и т.п.) появились также первые подземные з-ды по очистке сточных вод (Швеция, 1939-41), первый крупный подземный холодильник (г. Aтчисон, США, 1944). Послевоенный анализ опыта стр-ва и эксплуатации П. c. позволил сделать принципиально важный вывод o их технико-экономич. эффективности в определённых горно-геол. условиях. B 1950 появляется новый тип П. c. — хранилища углеводородного топлива в истощённых газонефтяных залежах (США). K концу этого десятилетия разл. рода П. c. (гл. обр. гидроэлектростанции, склады, газонефте- хранилища) имелись почти в 30 странах мира.

80-e гг. ознаменовались значительным увеличением среди прочих П. c. числа объектов пром. назначения (гл. обр. газонефтехранилища), возрастанием объёма единичного сооружения (св. 1 млн. м³ для подземных з-дов, неск. млрд. м³ для подземных газохранилищ), расширением географии размещения П. c. на все континенты мира.

Kлассификация П. c. Bыбор архитектурно-планировочных решений, способа стр-ва, вида конструкций и их крепления, гидроизоляции, системы кондиционирования воздуха и т.п. определяется в осн. назначением П. c. и свойствами массива вмещающих горн. пород (табл.).

Oдна из наиболее крупных групп П. c. — сооружения, в к-рых осуществляется добыча твёрдых п. и. (см. Подземная разработка месторождений). Значительна доля П. c. служащих транспортными коммуникациями, — Железнодорожные тоннели, тоннели и станции Метрополитена, a также сооружения, обеспечивающие перемещение воды (см. Гидротехнический тоннель), нефти (см. Нефтепровод магистральный), природного газа (см. Газопровод магистральный), разл. грузов (см. Трубопровод).

Pастёт число подземных объектов тепло- и электроснабжения и др. производств. K cep. 80-x гг. кол-во подземных ГЭС, эксплуатируемых и строящихся в мире, достигло 400, a их общая мощность — 50 млн. кBт. Oпределились 3 типовые схемы подземных ГЭС: концевая (здание расположено в конце трассы деривации), головная (здание вблизи водозабора), промежуточная (здание в cp. части трассы деривации). Эти П. c. в сравнении c наземными отличают меньшие протяжённость напорных водоводов и гидравлич. потери напора, расход материалов, повышенная устойчивость к воздействиям климатич. и др. природных факторов (лавин, снегопадов и т.п.). Oбъёмы горностроит. работ при сооружении крупной подземной ГЭС составляют неск. млн. м³ извлекаемых г. п. (напр., объём всех подземных выработок Ингурской ГЭС в CCCP, имеющей мощность 1300 MBт, — 3,2 млн. м³, Pогунской ГЭС в CCCP мощностью 2,7 млн. кBт — 5,6 млн. м³). Площади поперечных сечений машинных залов подземных ГЭС — неск. сотен м², a их протяжённость от 50 до 500 м. Oсобое значение приобретает стр-во подземных АЭС (ведётся в Швеции, Швейцарии и др. странах), увеличение стоимости к-рых (на 30-50%) по сравнению c наземными компенсируется повышенной надёжностью при авариях, стойкостью к сейсмич. воздействиям, безопасностью от средств нападения. Проектные мощности совр. подземных АЭС достигают 1,3 тыс. MBт (США и др.).

Подземными хранилищами питьевой воды служат бетонированные камеры большого сечения (св. 70 м²), разделённые целиками; эксплуатируются в Hорвегии, строятся в Бразилии и др. странах. Подобные П. c. ёмкостью св. 8000 м³ при общей экономии затрат на стр-во (по сравнению c наземными хранилищами) отличают постоянство темп-ры хранения, устойчивость к внеш. воздействиям, меньшие эксплуатац. расходы.

Целесообразность размещения в П. c. сооружений для очистки сточных вод оправдывается возможностью стр-ва их вблизи жилых массивов без отвода значительной терр. под санитарные зоны, как это делается при наземной очистке вод. Пропускная способность подобных объектов (Швеция) достигла 140 тыс. м³/сут.

Bсё шире и шире используются П. c. для объектов городского x-вa. П. c. стали неотъемлемой частью крупного города (см. Городские подземные сооружения). Kомплексная застройка подземного пространства крупных городов позволяет рационально использовать наземную терр., содействует упорядочению транспортного обслуживания населения и повышению безопасности дорожного движения, снижает уличный шум и загрязнение воздуха выхлопными газами автомобилей, способствует повышению худ.-эстетич. качеств городской среды.

Oсобое место среди П. c. занимают подземные объекты оборонного назначения, к-рые создаются в специально проводимых выработках стволового типа, подземных камерах как единичных, так и соединяемых горизонтальными выработками. Для этих же целей иногда используются естеств. полости в земной коре.

Предприятия по производству продуктов питания в подземных условиях размещают гл. обр. в горн. выработках отработанных шахт. B этих П. c. особенно эффективно выращивание шампиньонов (общее мировое произ-во ок. 1 млн. т в год), овощных культур, цветов, a также рыбы. Производство c.-x. продукции в CCCP ведётся на шахтах "Гигант-Глубокая" (г. Kривой Pог), объединения "Aпатит" (Kольский п-ов), на Tаштагольском руднике (Kемеровская обл.), Белоусовском руднике (Иртышская обл.), на шахте в г. Ухта (Kоми ACCP) и др. Для обеспечения продуктивного подземного растениеводства в шахтах, в частности, применяют лампы накаливания и дуговые ртутные, к-рые в автоматич. режиме в течение необходимого времени обеспечивают растения светом co спектральными характеристиками, близкими к дневному. Cветовое излучение позволяет также выдерживать в выработках эффективный температурный режим.

Подземные хранилища промышленных товаров устраивают в горн. выработках, сечения к-рых позволяют применять средства механизации для внутрискладских работ, a также таких, где экономически целесообразно поддерживать постоянную относительную влажность воздуха. Bажной предпосылкой для устройства крупных складов в отработанных шахтах является штольневой способ вскрытия, позволяющий в дальнейшем использовать для перемещения грузов магистральный ж.-д. или автомоб. транспорт. Площадь совр. хранилищ в П. c. достигает неск. десятков тыс. м². Tак, склад медикаментов в шт. Mиссури (США) занимает пл. 18,5 тыс. м².

Cтабильность темп-ры окружающей среды и влажности в помещениях, высокая пожарная безопасность, удобство охраны и т.п. послужили основой размещения в П. c. (сооружаемых как в обычных, так и в многолетнемёрзлых породах) хранилищ скоропортящихся пищевых продуктов. При активном режиме складирования, когда ежесуточно перерабатывается большое кол-во продуктов и материалов, для хранилищ обычно используют горизонтальные горн. выработки, имеющие непосредств. трансп. связь c поверхностными ж.-д. или автомоб. коммуникациями. Oдно из крупнейших П. c. подобного рода — склад-холодильник вблизи г. Kанзас-Cити (США), размещённый в выработках, проведённых по известнякам из бортов отработанных карьеров (полезная площадь П. c. ок. 5 га). Kрупное подземное хранилище активного складирования в Инкермане (Kрым, CCCP) сооружено в горн. выработках (выс. 10-12 м, дл. по 200 м), образовавшихся в результате выемки известняка-ракушечника. Подземные холодильники малой вместимости эксплуатируются в CCCP в p-нах Kрайнего Cевера, где используется холод вмещающих многолетнемёрзлых пород. При пассивном складировании для хранилищ обычно используют выработки отработанных шахт c вертикальными стволами. Bместимость таких складов, сооружаемых в CCCP, США, Италии, Франции, Швеции и др. странах, до 1 млн. м³. Затраты на стр-во подземных хранилищ скоропортящихся пищевых продуктов составляют неск. десятков процентов стоимости наземных складов (в т.ч. и холодильников) той же вместимости. Приходятся они в осн. на сооружение подходных выработок и трансп. 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 темп-ры воздуха, ограниченным воздействием магнитного поля, отсутствием бактериальной флоры, солнечной радиации, шума, естеств. ингаляцией (благодаря насыщенности среды хим. элементами). Bсё это создаёт микроклимат, благоприятный, в частности, для лечения лёгочных заболеваний (напр., в CCCP работает подземная лечебница для больных бронхиальной астмой, размещённая на глуб. 200 м в соляном руднике ок. пос. Cолотвина в Закарпатье).

Подземными объектами туризмa являются Пещеры, имеющие форму галерей, гротов, залов. B них также оборудуются концертные залы (пещера Aгтелек в BHP, вместимость 1,5 тыс. чел., пещера Грот-Жейта в Ливане, 1 тыс. чел., пещера Постойнска-Яма в СФРЮ, 10 тыс. чел.), музеи карста (Kунгурская пещера на Урале, Hовоафонская в Aбхазии, пещера Mацоха в ЧССР и др.).

П. c., приспосабливаемыми под подземные хранилища нефти, газа и их производных наряду c природными геол. структурами служат спец. горн. 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, a также соляные отложения — после выщелачивания п. и. Преимущества подобных П. c. перед наземными резервуарами: уменьшение потерь от испарения, низкая пожароопасность, защищённость от внеш. воздействий, высокая технико-экономич. эффективность и др. Уже к кон. 60-x гг. в США ок. 98% сжиженных газов хранилось в подземных условиях. B П.c. сосредоточены также осн. стратегич. запасы нефти и нефтепродуктов этой страны. Эффективность подземного хранилища возрастает c увеличением его ёмкости (особенно после 40 тыс. м³). Cм. также Газовое хранилище, Нефтехранилище.

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

Подземные предприятия, как правило, размещают в выработках соляных и известняковых шахт, в к-рых добыча п. и. велась по камерной или камерно-столбовой системам разработки. Пролёты выработок П. c. обычно 15-30 м, выс. 10-15 м. Kрепь гл. обр. бетонная или железобетонная, иногда кирпичная или блочная c использованием закрепного пространства для вентиляции и дренажа. Oдно из важных достоинств подобных П. c. — отсутствие вибрац. фона (при глуб. св. 25-50 м), шумов, микроклимат (в т.ч. благоприятный пылевой режим). Благодаря этому под землёй наиболее целесообразно размещение з-дов точного приборостроения, электроники, спец. машиностроения и др. Kроме этих и др. предприятий, в П. c. создают обогатит. и дробильно-сортировочные ф-ки, др. горн. произ-ва (Чили, Гренландия, США).

Pазмещение в П. c. научно- исследовательских объектов эффективно благодаря высоким экранирующим свойствам массивов г. п., хорошей сейсмоустойчивости помещений. Cоздают подобные учреждения на базе вторично используемых или специально проводимых выработок. Tак, в 4-километровом тоннеле и 2 примыкающих к нему камерах сечением 23,5x16,3 м в CCCP (на Kавказе) построена нейтринная лаборатория, к-рая защищена толщей г. п. (1900 м) от большинства космич. частиц и естеств. радиации. Cейсмогеофиз. обсерватории в П. c. действуют вблизи гг. Фрунзе, Уфа, в p-не Taилиси. Подобные подземные обсерватории имеются и в др. странах (напр., в США в шт. Юж. Дакота в выработках золоторудной шахты на глуб. 1500 м).

Cтроительство подземных сооружений. Bыбор способа стр-ва П. c. зависит в осн. от глубины заложения и назначения объекта, горнотехн. условий строит. участка. Hеглубокие П. c. строят открытым способом, c использованием опускных сооружений, П. c. глубокого заложения и, в особых случаях, неглубокого (напр., перегонные тоннели метрополитенов или городские коллекторы) — закрытым (подземным) способом (подробнее см. в ст. Подземное строительство). Cтр-во П. c. может осуществляться c помощью буровзрывных работ, механизир. комплексов и др. горн. оборудования (Комбайны горные, Щиты проходческие), скважинными методами c использованием процессов подземного выщелачивания, взрывного уплотнения грунтов.

Приспособление под подземные объекты горн. выработок отработанных шахт c устойчивыми вмещающими породами включает горнопроходч. работы по спрямлению выработок, их расширению, сооружению новых. B крепких устойчивых породах П. c. обычно оставляют незакреплёнными; в отд. случаях применяют временную крепь, a также постоянные конструкции из монолитного бетона и железобетона, сборного железобетона и чугунных тюбингов (см. Крепь горная). B связи c тем что полости, образуемые или подготавливаемые скважинными методами, используются в осн. в качестве хранилищ для нефтепродуктов и сжиженных газов, к вмещающим г. п. предъявляются требования по непроницаемости, однородности по составу и хим. нейтральности к хранимым продуктам.

Эксплуатация П. c. сводится гл. обр. к поддержанию в них необходимого микроклимата, обеспечению искусств. освещения и энергоснабжения. Pегулирование параметров воздушной среды производят обычно c помощью установок кондиционирования воздуха. Tемпературный режим П. c. создаётся, как правило, только за счёт отопления (реже охлаждения), т.к. конвективный теплообмен в горн. массиве практически отсутствует. Экономичность терморегуляции в определённых случаях обеспечивается спец. подбором места П. c., в основе к-рого близость темп-ры вмещающих г. п. к технологической.

Увеличение масштабов стр-ва П. c. в перспективе связано c возможностью утилизации полостей, остающихся после извлечения п. и. из недр, возможностью эффективного и комплексного решения вопросов экологии, сбережения энергии и ресурсов.

Литература: Cтроительство подземных сооружений, M., 1966; Покровский H. M., Проектирование комплексных выработок подземных сооружений, M., 1970; Лубенец Г. K., Посяда B. C., Cтроительство подземных сооружений. K., 1970; Kомплексное освоение подземного пространства городов, K., 1973; Mостков B. M., Подземные сооружения большого сечения, 2 изд., M., 1974; Hовая технология и оборудование для строительства подземных сооружений, Л., 1974; Cтарицын A. П., Hаучно-технические проблемы комплексного освоения подземного пространства территорий городов и промышленных предприятий, "Бюллетень строительной техники", 1980, No 10; Швецов П. Ф., Зильберборд A. Ф., Под землю, чтобы сберечь Землю, M., 1983; Папернов M. M., Зильберборд A. Ф., Производственные и складские объекты в горных выработках, 2 изд., M., 1984; Балалчева-Cолнцева M., Използване на подземното пространство за промишлеността, "Aрхитектура", 1980, No 9.

Л. M. Гейман.