Использование подземного пространства

Взаимодействие подземного объекта с окружающей природной средой. Часть 2

Одной из наиболее важных задач геомеханического обеспечения является контроль и управление деформационными процессами, протекающими в массиве горных пород и на его поверхности. В процессе возведения подземного сооружения нарушается естественное равновесие массива горных пород, что может приводить к деформациям и подвижкам. При этом, непосредственно над выработкой, образуется зона обрушения (рис. 4.2), над которой породы, прогибаясь, теряют сплошность и в них появляются трещины. Ещё выше толща горных пород расслаивается и слои прогибаются без образования трещин. Расположенные над выработкой здания и сооружения могут претерпевать определённые деформации. Если они не приводят к разрушению зданий и сооружений, не препятствуют их эксплуатации по прямому назначению и не создают опасных условий для находящихся в них людей, то такие деформации называют допустимыми. Величины допустимых деформаций определяются специальным расчётом. Сущность расчёта базируется на зависимости зоны влияния подземного сооружения от глубины заложения: с увеличением глубины заложения растёт зона влияния, но уменьшаются деформации поверхности. Затем рассчитывают деформации сооружений, находящихся в зоне влияния выработки.

Далее определяют величину оседания горных пород над кровлей тоннеля, при которых деформаций земной поверхности не превысят допустимых значений. На основании полученных результатов выбирают способ ведения проходческих работ, виды крепи, типы применяемых машин и механизмов.

Подземные воды представляют собой наиболее динамичную компоненту геоэкологической среды, влияние которой особенно сильно проявляется в условиях плотной застройки городских территорий. При разработке проектов строительства подземных и заглублённых сооружений необходимо проводить прогнозирование гидрогеологических условий осваиваемой территории на разные периоды времени:

краткосрочное прогнозирование — на период производства работ нулевого цикла;

среднесрочное прогнозирование — на период выполнения основных строительно-монтажных работ и ввода объекта в эксплуатацию;

долгосрочное — на период эксплуатации объекта.

Срок прогноза во многом определяет его точность: чем больше срок, тем меньше точность прогноза. Поэтому составленные прогнозы необходимо корректировать на основании гидрогеологического мониторинга, формирования и использования информационного банка данных.

Недостаточно полное изучение и учёт инженерно-геологических и гидрогеологических условий района строительства может привести к катастрофическим последствиям, как, например, это произошло в 1998 году при строительстве тоннеля диаметром 4 м, идущего под улицей Большая Дмитровка от Охотного ряда до Страстного бульвара в Москве. Тоннель длиной 740 м сооружался щитовым способом в условиях плотной городской исторической застройки на глубине 20-30 м. При внезапной встрече с водоносными песками, проникшими в тоннель, на поверхности произошло образование воронки диаметром около 30 м и объёмом около 500 м3.

В 1995 году произошло разрушение и затопление центральной части перегонного тоннеля метрополитена в Санкт-Петербурге , пересекающего палеодолину в районе станции Площадь Мужества. В качестве причин специалисты рассматривают совместное действие несовершенства конструкции тоннеля,, построенного в 1971—1975 годах, и проявления ряда инженерно-геологических и гидрогеологических факторов, проигнорированных при проектировании.

2. Во время строительства — экологическая оценка: технологии производства работ, ликвидации строительной площадки, общего благоустройства территории. Например, при возведении горного тоннеля Адлер в Швейцарии вынутую породу использовали для засыпки отработанного гравийного карьера в зоне северного портала тоннеля. Гумусовые почвы, разработанные на участке открытых работ, использовали для рекультивации территории, нарушенной при строительстве, что позволило восстановить первоначальный ландшафт и провести на отдельных участках дополнительные лесопосадки [Дайджест зарубежной информации, 1996].

Наиболее существенное вмешательство в экологию подземного пространства происходит на этапе строительства подземного сооружения, т.к. последствия техногенного вмешательства в существующую экосистему носят необратимый характер. При ведении подземных работ в городских условиях, кроме этого, необходимо обращать внимание на сохранность зданий и сооружений и на изменение гидрогеологического режима подземных вод.

С точки зрения экологичности все технологии производства подземных работ можно подразделить на :

технологии, неучитывающие экологические требования;

технологии, учитывающие экологические требования в неявном виде;

технологии, в которых экологичность вторична по отношению к экономичности;

технологии, направленные на минимизацию негативного влияния на природную среду.

Многие годы при строительстве подземных сооружений использовались технологии 1-го и, частично, 2-го типов. Никак не учитывалось изменение сплошности скального массива при проведении буровзрывных работ, влияние цементационных завес и дренажей на гидравлический режим подземных вод, возможность полного осушения водоносных горизонтов и многое другое. Влияние возводимого подземного сооружения на экологию подземного пространства учитывалось лишь в том случае, если изменение инженерно-геологических и гидрогеологических условий вмещающего массива могло сказаться на надёжности и безопасности самого сооружения.

В последние годы, как за рубежом, так и в нашей стране, приоритет отдаётся технологиям 3-го и 4-го типов. Согласно МГСН 1.01-98 ...при разработке проектной документации должна обеспечиваться приоритетность вопросов охраны окружающей среды, рационального природопользования, защиты здоровья и формирования экологически безопасной среды обитания. При выборе способа производства работ всё чаще предпочтение отдаётся наиболее экологичным способам строительства. К ним можно отнести:

1. строительство стволов бурением;

2. способы бестраншейной прокладки инженерных коммуни каций ;

3. способ стена в грунте;

4. новоавстрийский тоннельный метод (НАТМ);

5. опережающий экран;

6. щитовой и механизированный способы проходки, в том числе с пригрузом забоя.

Применение специальных методов строительства в сложных инженерно-геологических условиях, в частности, пеногрунтово-гопригруза забоя при щитовой проходке перегонного тоннеля метрополитена, расположенного в аллювиальных породах в г. Валенсия (Испания), позволило выдержать средние значения допустимых просадок земной поверхности в пределах 3 мм. Использование мылообразной пены, помимо снижения проницаемости и повышения устойчивости грунтового массива, повышает вязкость вынимаемой породы. При этом улучшаются её технологические свойства, снижается абразивность песчаных и гравийных фракций, повышаются эксплуатационные характеристики проходческого комплекса в целом.

Экологически безопасные технологии строительства и эксплуатации подземных объектов позволяют достичь нового уровня освоения подземного пространства за счёт:

- более широкого использования подземного пространства, как среды обитания человека;

- расширения областей применения щитовой и механизированной проходки и НАТМ;

- творческого использования подземного пространства, строительства подземных сооружений нового поколения и раз вития подземных инфраструктур с учётом требований экологии;

- применения современных подходов к проектированию под земных сооружений, базирующихся на таких дисциплинах, как под земная архитектура, строительная геотехнология , геоника и пр.

Ещё одним важным аспектом подземной экологии является Защита подземных выработок и помещений от повышенных концентраций радона. Радон повсеместно поступает в атмосферу из толщи земли, однако его концентрации в атмосферном воздухе весьма незначительны. В закрытых подземных помещениях эти концентрации, достигнув определённых величин, могут нанести ущерб здоровью людей.

Наиболее эффективным способом снижения концентрации радона является правильно подобранная и направленная вентиляция. При этом не рекомендуется организовывать циркуляцию по помещению одного и того же воздуха. Количество радона, поступающего из подземных вод, снижают путем тщательно организованной и выполненной гидроизоляции и дренажа.

В последние десятилетия при строительстве подземных сооружений как в нашей стране, так и за рубежом, всё большее внимание уделяется информационному обеспечению строительства. Причинами протестов местного населения против строительства являются: шумы, производимые буровым, вентиляторным и компрессорным оборудованием и возникающие при работе строительных машин, механизмов и при проведении буровзрывных работ; пыль, поднимаемая при строительно-монтажных работах, а также некоторые социальные и субъективные факторы. С этими проблемами сталкиваются как отечественные, так и зарубежные тоннелестроители , что приводит к необходимости проведения разъяснительных бесед с местными жителями и широкого распространения информации о строительстве. При строительстве тоннеля Бирменсдорф вблизи Цюриха (Швейцария) протяжённостью 5,4 км нормальное ведение работ стало возможным только после подробных разъяснений и детального информирования местного населения о выполняемых работах [Datteln , 1998]. В США при проектировании и строительстве подземных сооружений в обязательном порядке учитываются влияние на окружающую среду и мнение населения, живущего в районе строительства [Brierley , Smith , 1998]. Финскими строительными нормами рекомендуется заблаговременно уведомлять жителей домов, расположенных в радиусе не менее 100 м от места ведения подземных работ. В уведомлении должны указываться: назначение строительной площадки, фирма-строитель, подрядчик, сроки строительства и телефоны для получения дополнительной информации и подачи возможных жалоб [Саари , Рейнистпо , Лайне , 1993]. Считается, что правдивая информация о проходческих работах позволит ослабить предвзятое к ним отношение и сократить количество жалоб со стороны местного населения.

3. На период эксплуатации — разработка системы управления окружающей средой в соответствии с ГОСТ Р ИСО 14001-98. Система управления окружающей средой является общей частью административного управления и включает в себя необходимые организационные структуры, разработанные процедуры и ресурсы для разработки, реализации и поддержания программы экологической безопасности подземного объекта на весь период эксплуатации.

Например, при проникновении воды из эксплуатируемого подземного сооружения в горный массив возможно частичное или полное разрушение горных пород за счёт химической суффозии, приводящей к образованию карстов. Наибольшей растворимостью обладают: галоиды (каменная и калийная соли), сульфаты (гипс, ангидрит) и карбонаты (известняки, доломиты, мергели, мел). На рис. 43 приводится пример образования карста за счёт проникновения воды из напорного тоннеля в горный массив, содержащий включения гипса. На участке длиной 4 м произошло опускание подошвы тоннеля на 15 см. После удаления повреждённой части облицовки была обнаружена карстовая полость шириной 2 м и глубиной в несколько метров. Полость была забетонирована, а на участке тоннеля длиной 69 м была выполнена дополнительная железобетонная облицовка {Волков, Воро-нецкий , Зурабов, Бугаева, 1945].

4. На период реконструкции или ликвидации объекта — учёт влияния процесса реконструкции или ликвидации подземного сооружения на сложившуюся экосистему.

В последние годы одной из наиболее важных проблем городских агломераций становятся неиспользуемые и заброшенные подземные сооружения: подвалы зданий, штреки метро, вентиляционные ходы, неиспользуемые подземные сооружения промышленного, гражданского и специального назначения, в частности, объекты гражданской обороны [Конюхов, Говорова, 2000]. Инструкция о порядке ликвидации и консервации подземных сооружений, не связанных с добычей полезных ископаемых, утверждённая Постановлением Госгортехнадзора России № 34 от 02.06.98 г. предусматривает необходимые мероприятия, в том числе экологической направленности, связанные с ликвидацией и консервацией подземных сооружений. В проекте ликвидации или консервации подземного сооружения должны быть разработаны технические решения и мероприятия по :

- обеспечению устойчивости выработок или их искусствен ному обрушению для предотвращения провалов и недопустимых деформаций земной поверхности;

- предотвращению загрязнений геологической, гидрогеологической среды и водных объектов;

- ликвидации провалов, трещин, локализации опасных участков;

- рекультивации нарушенных территорий;

- предотвращению попадания в подземные выработки людей и животных.

При ликвидации подземных сооружений под застроенными территориями необходимо предусматривать закладку (заполнение) выработок, расположенных выше безопасной глубины. При этом необходимо предусмотреть техническое обеспечение наблюдений за состоянием подземного сооружения и его влияния на окружающую среду (горно-экологический мониторинг) на период консервации или стабилизации гидродинамического режима и процессов сдвижения горных пород и земной поверхности при ликвидации подземного сооружения.

Несмотря на принятие соответствующих законодательных положений анализ современного состояния подземного пространства Москвы, Санкт-Петербурга , Самары и других городов нашей страны указывает на практически полное отсутствие своевременно проведённых мероприятий по ликвидации или консервации подземных выработок. Существующая ситуация приводит к многочисленным провалам земной поверхности и возникновению аварийных ситуаций.