В современном мире, с ростом населения и увеличением плотности застройки городов, строительство подземных сооружений становится все более актуальным и необходимым. Под землей размещаются транспортные тоннели, парковки, склады, торговые центры, станции метро и другие объекты, освобождая пространство на поверхности и улучшая инфраструктуру. Развитие технологий и появление новых материалов способствовали разработке и внедрению современных методов строительства, позволяющих возводить подземные сооружения безопасно, эффективно и с минимальным воздействием на окружающую среду.
Траншейный способ строительства (Cut-and-Cover)
Траншейный способ строительства, также известный как открытый способ, является одним из самых распространенных и старых методов возведения подземных сооружений. Суть метода заключается в том, что на поверхности выкапывается траншея, в которой затем возводится конструкция сооружения. После завершения строительства траншея засыпается, а поверхность восстанавливается.
Преимущества траншейного способа включают относительно низкую стоимость, простоту выполнения работ и возможность использования стандартного строительного оборудования. Однако, метод имеет и недостатки, такие как необходимость временного перекрытия движения на поверхности, значительное воздействие на окружающую среду (шум, пыль, вибрация) и ограничение глубины строительства.
Разновидности траншейного способа
* **Открытый котлован с откосами:** Самый простой вариант, применяется при достаточной ширине участка и устойчивом грунте. Откосы котлована укрепляются для предотвращения обрушения.
* **Котлован с креплением стен:** Используется при неустойчивом грунте или ограниченной ширине участка. Стены котлована укрепляются с помощью шпунтовых стенок, буросекущихся свай или других конструкций.
* **Способ «стена в грунте»:** Технология, при которой сначала возводятся стены будущего сооружения, а затем вынимается грунт между ними. Позволяет строить глубокие и протяженные сооружения в сложных геологических условиях.
Щитовая проходка (Tunnel Boring Machine — TBM)
Щитовая проходка – это современный метод строительства тоннелей, при котором используется тоннелепроходческий комплекс (ТПК), или щит. ТПК представляет собой сложную машину, которая одновременно разрабатывает грунт, крепит стены тоннеля и выносит грунт на поверхность.
Щитовая проходка позволяет строить тоннели большой протяженности и глубины без нарушения поверхности, что особенно важно в условиях плотной городской застройки. Этот метод характеризуется высокой скоростью проходки, безопасностью и минимальным воздействием на окружающую среду. Однако, стоимость ТПК высока, и для эффективного использования метода требуется тщательное планирование и квалифицированный персонал.
Типы щитов для тоннелепроходки
* **Грунтовой щит (Earth Pressure Balance — EPB):** Используется в мягких грунтах. Давление грунта компенсируется давлением разработанного грунта в забое щита.
* **Щит с гидроприжимом (Slurry Shield):** Применяется в водонасыщенных грунтах. Давление воды компенсируется давлением бентонитовой суспензии.
* **Скальный щит (Rock TBM):** Предназначен для проходки в твердых породах. Оборудован буровой головкой с резцами или дисковыми фрезами.
Метод замораживания грунтов
Метод замораживания грунтов – это технология, при которой вокруг будущего подземного сооружения создается замороженная стена, предотвращающая обрушение грунта и проникновение воды. Замораживание осуществляется путем циркуляции хладагента (например, жидкого азота или рассола) по замораживающим колонкам, установленным в грунте.
Этот метод позволяет строить подземные сооружения в сложных гидрогеологических условиях, в том числе в водонасыщенных песках и плывунах. Замораживание обеспечивает высокую прочность и водонепроницаемость грунта, что повышает безопасность работ. Однако, метод является энергоемким и требует тщательного контроля за процессом замораживания.
Применение метода замораживания грунтов
* Строительство тоннелей под реками и каналами.
* Укрепление грунта при строительстве глубоких котлованов.
* Создание водонепроницаемых барьеров вокруг загрязненных территорий.
Новоавстрийский метод (New Austrian Tunnelling Method — NATM)
Новоавстрийский метод – это гибкий и адаптивный метод строительства тоннелей, основанный на использовании естественной прочности грунта. Суть метода заключается в том, что грунт разрабатывается небольшими участками, а стены тоннеля немедленно укрепляются набрызг-бетоном и анкерами.
NATM позволяет учитывать фактические геологические условия и адаптировать конструкцию тоннеля к ним. Метод характеризуется высокой скоростью проходки, гибкостью и относительно низкой стоимостью. Однако, требует высокой квалификации персонала и тщательного мониторинга состояния грунта.
Основные этапы NATM
1. Разработка грунта небольшими участками.
2. Немедленное укрепление стен тоннеля набрызг-бетоном.
3. Установка анкеров для дополнительного укрепления.
4. Мониторинг деформаций и напряжений в грунте.
5. Окончательная отделка тоннеля.
Комбинированные методы
В практике строительства подземных сооружений часто применяются комбинированные методы, сочетающие в себе элементы различных технологий. Например, может использоваться траншейный способ строительства в сочетании с методом «стена в грунте» или щитовая проходка с предварительным замораживанием грунта.
Комбинирование методов позволяет оптимизировать процесс строительства, учитывать особенности геологических условий и снизить затраты. Выбор оптимальной комбинации методов требует тщательного анализа проектной документации, геологических изысканий и опыта строительной организации.
Примеры комбинированных методов
* «Стена в грунте» + траншейный способ для строительства подземных парковок в центре города.
* Щитовая проходка + замораживание грунта для строительства тоннеля под рекой в сложных гидрогеологических условиях.
* NATM + укрепление грунта струйной цементацией для строительства тоннеля в нестабильных породах.
Метод продавливания труб
Метод продавливания труб – это технология бестраншейной прокладки коммуникаций, при которой труба продавливается в грунт с помощью гидравлических домкратов. Этот метод используется для прокладки трубопроводов, кабельных каналов и других коммуникаций под дорогами, железными дорогами и другими препятствиями.
Метод продавливания труб позволяет минимизировать нарушение поверхности и избежать перекрытия движения. Этот метод характеризуется высокой точностью прокладки, безопасностью и относительно низкой стоимостью. Однако, требует подготовки стартового и приемного котлованов и ограничений по диаметру и длине продавливаемых труб.
Преимущества метода продавливания труб
* Минимальное нарушение поверхности.
* Отсутствие необходимости перекрытия движения.
* Высокая точность прокладки.
* Относительно низкая стоимость.
Геотехническое проектирование и мониторинг
Независимо от выбранного метода строительства подземных сооружений, ключевую роль играет геотехническое проектирование и мониторинг. Геотехническое проектирование включает в себя изучение геологических условий, определение характеристик грунта, расчет устойчивости конструкции и разработку мер по обеспечению безопасности.
Мониторинг включает в себя контроль за деформациями грунта и конструкции, измерение давления воды и другие параметры, позволяющие оценить состояние сооружения и своевременно принять меры по предотвращению аварийных ситуаций. Современные системы мониторинга используют автоматизированные датчики и компьютерные системы для обработки и анализа данных.
Важность геотехнического мониторинга
* Обеспечение безопасности строительства и эксплуатации подземных сооружений.
* Контроль за состоянием грунта и конструкции.
* Своевременное выявление и устранение дефектов.
* Оптимизация процесса строительства и снижение затрат.
В заключение, современные методы строительства подземных сооружений представляют собой комплекс технологий, позволяющих возводить сложные инженерные объекты в различных геологических условиях и с минимальным воздействием на окружающую среду. Выбор оптимального метода или комбинации методов требует тщательного анализа проектной документации, геологических изысканий и опыта строительной организации. Важную роль играет геотехническое проектирование и мониторинг, обеспечивающие безопасность строительства и эксплуатации подземных сооружений. Дальнейшее развитие технологий и внедрение новых материалов будут способствовать повышению эффективности и безопасности строительства подземных сооружений, что позволит решать все более сложные задачи по развитию городской инфраструктуры.