Объекты изучения строительной геотехнологии

Объектами изучения строительной геотехнологии являются подземные сооружения горнодобывающих предприятий и энергетических комплексов, транспортные, гидротехнические и коммунальные тоннели, тоннели метрополитена, инженерные сооружения в подземном пространстве городов и другие подземные сооружения различного назначения.
По функциональному назначению подземные объекты можно разделить на несколько важнейших групп:

- энергетические и горнопромышленные комплексы;

- промышленные предприятия, транспортные магистрали и комплексы, хранилища долгосрочного резерва, склады, гаражи, автостоянки, утилидоры и многофункциональные комплексы;

- объекты социально-бытового назначения (библиотеки, клиники и больницы, товарные базы и хранилища, музеи, водоочистные сооружения и хранилища воды, бассейны, спортзалы, магазины, киноконцертные залы, церкви, рестораны, научные центры);

- подземные объекты экологического значения (хранилища-могильники для захоронения радиоактивных и промышленных отходов, вредных веществ, опасные производства);

- подземные объекты оборонного назначения. Растущий интерес к освоению подземного пространства в значительной мере обусловлен положительными качествами подземных сооружений. Использование подземного пространства для размещения объектов различного назначения, помимо повышения эффективности использования недр и экономии территории, позволяет существенно уменьшить затраты энергии на отопление и охлаждение помещений, резко снизить влияние внешних климатических условий на внутреннюю среду помещений и др. уПри строительстве подземных сооружений сохраняются ценные земельные угодья, обеспечивается экологическая чистота поверхности и достигается экономия материальных ресурсов. Подземные объекты надежно защищены от прямого воздействия климатических факторов. Благодаря теплофизическим свойствам земного массива с глубиной резко уменьшается амплитуда температурных колебаний наружного воздуха, что обусловливает существенное снижение теплопотерь подземных сооружений, а также теплопоступления из окружающей среды. Создаваемые при этом внутренние условия весьма благоприятны для размещения в подземных горных выработках складов продовольствия, вино-хранилищ, сейфов, кладовых кинофотоматериалов и документов, а также производств, требующих термоконстантных условий внутренней среды.

Объекты, размещаемые в подземных горных выработках, характеризуются повышенной виброустойчивостью и акустической изоляцией по сравнению с наземными сооружениями. Эти свойства особенно благоприятны для размещения в подземном пространстве объектов, требующих полной акустической изоляции от внешней среды (станции геофизических наблюдений, студии звукозаписи, радио и телевидение, лаборатории и др.). Виброустойчивость подземных сооружений позволяет организовывать в подземных горных выработках производственные процессы, требующие полного отсутствия вибрации несущих и ограждающих конструкций. Высокая способность породного массива защищать от внешних воздействий позволяет широко использовать подземные сооружения для укрытия людей от средств массового поражения и для защиты от катастроф и стихийных бедствий. В подземных горных выработках соляных шахт лечат хронический бронхит, астму и другие заболевания людей. Расширение практики использования подземного пространства для различных хозяйственных целей в значительной мере связано с процессом урбанизации, защитой окружающей среды от отрицательных воздействий транспортных инженерных систем и потенциально опасных производств, а также с целью сохранения энергии и утилизации вредных отходов ряда отраслей промышленности. Особого внимания заслуживают подземные объекты для целей водоснабжения, хранения нефти, нефтепродуктов и различных видов горючего газа. В современных условиях перспективным является строительство подземных атомных электрических станций как одного из направлений развития и обеспечения безопасности ядерной энергетики. С позиции охраны окружающей среды это целесообразно, а по инженерно-геологическим и геомеханическим условиям вполне осуществимо даже в массивах менее прочных, чем массивы гранитов или базальтов. О перспективности размещения в подземном пространстве иных объектов энергетики (тепловых, гидро- и пневмоаккумулирующих электростанций) свидетельствует уже то, что такие их структурно-технологические элементы, как шлаконакопители, системы очистки и переработки газопылевых и водных отходов, гидро- и пневмоаккумуляторы можно разместить в подземном пространстве, так же как и аналогичные элементы вредных производств и объектов нефтехимической промышленности. Бурный рост промышленности, развитие науки, создание новых технологических процессов во второй половине XX столетия привели к образованию значительного количества промышленных и бытовых отходов, высокотоксичных и радиоактивных веществ, находящихся в твердом, жидком или газообразном состоянии и требующих удаления из биосферы. В стране ежегодно вовлекается в производство 13-15 млрд т природных ресурсов, из которых в конечную продукцию переходит от 1 до 10 %, а остальные попадают в отходы, требующие утилизации и захоронения. В настоящее время наряду с традиционными способами удаления отходов (сжигание, разбавление поверхностными водами, захоронение и сброс в поверхностные водотоки, моря и океаны, просто свалки на поверхности) все большее распространение, в первую очередь для наиболее токсичных и радиоактивных веществ, получает способ захоронения отходов в глубокие горизонты геологических формаций путем закачки в скважины жидких и складирования в горных выработках твердых отходов. В перспективе возможно массовое применение глубинного захоронения муниципальных и слаботоксичных промышленных отходов, что обусловлено его явными преимуществами в сравнении с остальными, а именно экологичностью, малой землеемкостью горного отвода, возможностью организации могильников близ потребителя и даже в городской черте, а также использованием для захоронения выработанного пространства законсервированных или закончивших срок службы шахт, рудников и карьеров. Подземное захоронение твердых промышленных отходов (ТПО) предусматривает создание полостей в слабопроницаемых отложениях на глубинах примерно от 30 до 1000 м и является сложной комплексной проблемой, включающей вопросы: геолого-гидрогеологического обоснования возможности подземного захоронения; специального изучения слабопроницаемых отложений (их гидродинамической и геомеханической прочности, фильтрационной и диффузионной проницаемости, изменения прочностных и фильтрационных свойств вследствие физико-химического воздействия захороняемых отходов, условия образования трещиноватости при образовании емкостей взрывным способом и др.); технологии сооружения емкостей и способов загрузки емкостей отходами; изучения взаимодействия отходов с вмещающими породами и возможного перехода токсичных соединений в окружающую среду; гидрогеологического и санитарного контроля на участках захоронения ТПО; технико-экономического обоснования захоронения отходов и др.
При решении проблемы подземного захоронения отходов возникает необходимость проведения различных исследований, сопряженных с фундаментальными науками, являющимися их частью либо представляющими самостоятельное научное направление. Во многих странах интенсивно развиваются прогрессивные направления подземного транспортного строительства. Так, например, подземные железные дороги, подземные скоростные трамваи и метрополитены позволяют уменьшить последствия перенаселенности больших городов, высвободить площади для жилой застройки на поверхности земли и пропустить большие грузопотоки людей. Глубокие подземные тоннели инженерных систем мегаполисов могут служить для многоцелевого использования (канализации, водопровода, ливневых вод, транспорта), что позволяет на этой основе усовершенствовать современные системы жизнеобеспечения городов. В крупнейших подземных станциях по очистке сточных вод, расположенных в Стокгольме и Хельсинки, осуществляются централизованные сбор, очистка и контроль вредных выбросов, что позволяет сохранить исторические ландшафты. Дорожные тоннели на магистральных автодорогах и в городах сохраняют жилые массивы, упрощают работу транспорта и могут служить убежищами для укрытия населения в военный период. Имеются примеры строительства подземных транспортных тоннелей под акваториями. Крупнейший из них - комплекс подземных тоннелей под проливом Ла-Манш. В перспективе планируется создание аналогичного комплекса под Беринговым проливом.

Основные научные направления строительной геотехнологии

Основными научными направлениями строительной геотехнологии являются:

1. Методология создания подземных сооружений, включающая:

- исследования и обоснование целесообразности и технической возможности строительства подземных сооружений, месторасположения подземного сооружения, его форм и размеров в зависимости от функционального назначения и горно-геологических условий строительства;

- стратегию и методы освоения техногенных подземных пространств при утилизации и повторном использовании существующих подземных горных выработок и сооружений.

2. Механика подземных сооружений, содержанием которой являются:
- методы оценки устойчивости подземных сооружений; исследования процессов взаимодействия инженерных конструкций с породными массивами и влияния технологии ведения градостроительных работ на состояние внешней среды;

- обоснование новых материалов, рациональных типов и конструкций крепей и обделок;

- разработка новых методов расчета инженерных конструкций, оценка их прочности, устойчивости и долговечности.

3. Обоснование технологии строительства, реконструкции и восстановления подземных горных выработок и сооружений, включающее:

- исследования взаимосвязей элементов технологии горно-строительных работ;

- установление качественных и количественных параметров, определяющих выбор способов, техники и технологии строительства, методов организации и управления с учетом влияния природных и техногенных факторов на ее технико-экономические показатели;

- исследования и обоснование схем и способов реконструкции и восстановления подземных сооружений с целью увеличения срока их службы или повторного использования с новым функциональным назначением.

4. Управление состоянием породного массива при ведении горно-строительных работ, включающее исследования и обоснование способов и технологических параметров процессов замораживания, химического укрепления, тампонажа, водопонижения, осушения, разупрочнения пород и др. Первый научный раздел «Строительной геотехнологии» связан с разработкой научных основ или методологии создания подземных сооружений, учения о методах, приемах и операциях проектирования этих сооружений на основе достижений науки и техники с целью рационального освоения подземного пространства. Потребность в разработке методологии создания подземных сооружений возникла в связи с возрастающим интересом в мире к освоению подземного пространства недр Земли и необходимостью обеспечения экологической безопасности жизнедеятельности общества. К сегодняшнему дню уже обоснованы методы, принципы и подходы, применение которых обеспечивает повышение качества подземных сооружений. Это является крупным вкладом в развитие методологии проектирования подземных сооружений с целью обеспечения перспектив дальнейшего освоения подземного пространства, экологически безопасного использования недр как элемента среды выживания человека.Освоение подземного пространства, являющееся составной частью освоения ресурсов недр Земли, осуществляется в целях извлечения полезных ископаемых и размещения различных народнохозяйственных объектов, связанных с добычей полезных ископаемых. Освоение подземного пространства при добыче полезных ископаемых предполагает использование комплексов созданных подземных горных выработок по окончании эксплуатации месторождения или его части в промышленных и хозяйственных целях.

Освоение подземного пространства для целей, не связанных с добычей полезных ископаемых, предполагает специальное создание подземных сооружений для заданных целей. Эти различия определяют особенности методологии освоения подземного пространства, создаваемого как при добыче полезных ископаемых, так и для специальных целей. Однако и в том, и в другом случае имеет место общность системы творческих приемов и методов исследований. В методологическом отношении строительная геотехнология представляет совокупность знаний о подземных сооружениях в массиве горных пород, технических, экономических и организационных взаимосвязях технологических процессов при их строительстве, реконструкции и восстановлении с природной средой, с назначением объектов. В область исследований строительной геотехнологии включается обоснование методов проектирования, способов расчета конструкции подземных сооружений, а также методов оценки их надежности и долговечности. В недрах Земли, как в развивающейся системе, постоянно происходят фазовые переходы с выделением огромной энергии (землетрясения, обвалы, горные удары, провалы, сдвижения и т.п.). В этих условиях создание подземных сооружений осуществляется как процесс постоянной переработки информации и принятия решений, генерирования и оценки инженерных решений с учетом особенностей строительства и эксплуатации объекта. Поэтому необходимо производить оценку возможных последствий строительства подземных сооружений и его влияния на окружающую среду и экономику региона с учетом критерия «риск - польза».
В процессе строительства подземного сооружения с использованием современных подходов и методов менеджмента создается объект как многофункциональная, интегральная техногенно-природная система, способствующая улучшению инфраструктуры и повышению качества жизни людей. Поэтому методология проектирования подземных сооружений должна также предусматривать оценку особенностей и свойств пород и участка недр для строящихся объектов с целью выбора мест их размещения, определения функций и технологических процессов, осуществляемых на подземном объекте, его архитектурных, объемно-планировочных и конструктивных решений, технологий строительства подземного сооружения. Это необходимо для определения расчетной стоимости и сроков строительства, исследований технико-экономической целесообразности строительства подземного сооружения с учетом возможных рисков, оценки технического и экономического уровня объекта, оценки его качества и соответствия современным нормам и требованиям. Проектирование строительства подземных сооружений должно проводиться на основе комплексного подхода к следующим взаимоувязанным проблемам: инженерно-геологической, горно-технологической, конструкционной и защиты объектов во время их эксплуатации. В этом случае представляется возможным выявить все факторы для максимально возможного использования несущих свойств породного массива, передовых технологий с учетом специфики конструкций и их последующей эксплуатации.
Таким образом, методология создания подземных сооружений по существу, является аппаратом, специально приспособленным для принятия решений при проектировании подземных сооружений и освоения подземного пространства. Утилизация техногенных подземных пространств после окончания деятельности горнодобывающего предприятия или даже одновременно с процессом разработки месторождения является актуальной научной проблемой и важной задачей строительной геотехнологии. Она сулит немалые выгоды по целому ряду соображений:

- техническая и экономическая оценка выработанных пространств является стимулом развития предприятий горнодобывающей промышленности в том смысле, что обоснованием рентабельности малоперспективных шахт и месторождений может служить возможность коммерческого использования их выработок «в последующем»;

- обширные техногенные подземные пространства могут рассматриваться как жизненно важный ресурс в условиях дефицита территории;

- в большинстве случаев систематическое освоение пространства отработанных подземных горных выработок сулит экономический эффект как в отношении строительной стоимости объектов, так и по энергозатратам при их эксплуатации;

- целесообразной в глобальном экологическом аспекте представляется стратегия размещения вредных производств и захоронения промышленных отходов в выработанном пространстве шахт и рудников. Второй научный раздел «Строительной геотехнологии» связан с геомеханическим разделом горных наук «Недроведение» и имеет целью обоснование технологий, реализующих способы и средства обеспечения прочности, устойчивости и долговечности инженерных конструкций горных выработок и подземных сооружений, на основе закономерностей их взаимодействия с массивом горных пород. Для прогнозирования механического состояния породного массива, т.е. качественной и количественной оценок уровня развития и реализации процессов деформирования пород, вмещающих подземные сооружения, необходимо знать размеры и форму областей разрушения, величины смещений породного контура, характер их распределения по периметру в зависимости от параметров сооружений и способов их создания.
Обобщение опыта проведения выработок различного назначения, их размещения в массиве горных пород, выбора формы и площади сечения, а также научные исследования эффективности способов и средств проходки, надежности крепления, долговременной устойчивости выработок привели к созданию рациональных технологий подземного строительства и научно обоснованных конструкций сооружений и крепей. Установлены зависимости смещений контура выработок от глубины их заложения, прочности вмещающих пород, угла залегания, ориентации в массиве; ее размеров, влияния смежных выработок и др. Исследование процессов взаимодействия породных массивов с конструкциями подземных сооружений пришло на смену поискам универсальной гипотезы горного давления. Теоретические исследования взаимодействия крепи с массивом пород осуществлялись на основе решения полярно симметричных (одномерных) задач механики горных пород для различных механических моделей пород. Результатом таких исследований явились зависимости между напряжениями на контуре выработки круглого сечения (отпором крепи) и перемещениями этого контура, получившие название уравнений (диаграмм) равновесных состояний массива, ослабленного выработкой. Доказано, что несущая способность крепи зависит от толщины прокладок, деформативных свойств забутовочного материала, характера распределения нагрузок по контуру крепи и герметических размеров блоков. Результаты этих исследований вошли в обоснование рациональных конструкций крепей и способов их возведения. Важным результатом исследования процесса создания набрызг-бетонных обделок является эффект выравнивания нагрузок по контуру выработки. Установлены закономерности изменения контактного давления от последовательности производства проходческих работ. Многочисленные исследования процесса взаимодействия инженерных конструкций подземных сооружений с породным массивом были направлены на установление закономерностей влияния различных горно-геологических и горнотехнических факторов (рельефа местности, конструктивных особенностей крепей и обделок, температурных условий и т.п.) на формирование нагрузок. Установлено влияние гористого рельефа на напряженно-деформированное состояние крепей горных выработок, выражающееся в нарушении симметричности поля напряжений и деформаций и искривления главных осей в расчетной области. Это, в свою очередь, приводит к дополнительной концентрации напряжений в кровле и в одной из стенок выработки, что ухудшает условия ее устойчивости в целом. С увеличением неравномерности строения рельефа и воздействия наземных сооружений указанный эффект усиливается, что вызывает необходимость предусматривать в конструкциях крепей регулировку направления максимальной сопротивляемости и податливости. Разработаны прогрессивные конструкции крепи из армированного набрызг-бетона, способные обеспечивать эксплуатационные показатели поддержания выработок и характеризующиеся низкой металлоемкостью при высокой степени механизации ее возведения. При строительстве и эксплуатации горных выработок и подземных сооружений в условиях значительных сезонных колебаний температуры существенное влияние на напряженно-деформированное состояние крепи могут оказывать температурные напряжения. Для уменьшения их влияния целесообразно применение монолитной крепи без прочной связи с окружающими породами. При сводчатой крепи для снижения суммарных напряжений следует изменить форму выработки, обеспечить переменную толщину крепи в своде с увеличением к пятам. Установленные фундаментальные закономерности распределения нагрузок на конструкции тоннелей и станций метрополитена явились основой для разработки нормативных документов по проектированию тоннелей. В основе существующих методик расчета инженерных конструкций подземных сооружений лежат известные методы механики твердого деформированного тела и строительной механики. Данные методики, основанные на одних и тех же принципах механики, отличаются, как правило, гипотезами в постановке и решении задачи. Поскольку расчет конструкций подземных сооружений сопровождается расчетом окружающего породного массива, указанные методы механики применяются как для конструкций, так и для массива, причем в разных сочетаниях в зависимости от постановки задачи и требуемой точности расчетов. Применение этих методов перспективно и в конечном счете сводится к решению систем алгебраических уравнений, что легко может быть выполнено на современных ЭВМ. Методы механики твердого деформируемого тела имеют довольно ограниченное применение - главным образом для расчета осесимметричных кольцевых конструкций и реже - для конструкций некругового очертания. Развитием теории и методов расчета конструкций подземных сооружений явилось обоснование принципа единства научных знаний и подходов к расчету всех видов крепи, учитывающего совместное деформирование и взаимодействие обделок подземных сооружений и вмещающего массива, что освобождает от необходимости изначального подразделения нагрузок на активные и реактивные, и позволяет определить нагрузки на крепь в процессе расчета.
Концепция взаимодействия крепи с массивом пород привела к формулировке новых методов расчета и проектирования крепи и в конечном счете к формированию нового научного направления в строительной геомеханике -механики подземных сооружений.

В отличие от традиционных методов расчета, рассматривающих крепь (обделки) как обычные конструкции, испытывающие заданные нагрузки со стороны пород, механика подземных сооружений исследует систему «крепь-массив», рассматривая ее как единую деформируемую систему, воспринимающую внешние нагрузки и воздействия. Элементы указанной системы - крепь и окружающий породный массив - находятся в процессе нагружения в контактном взаимодействии друг с другом. Возникающие в результате этого взаимодействия нормальные и касательные напряжения на контакте крепи с массивом (нагрузки на крепь) определяются в процессе расчета крепи как промежуточный результат. С использованием этого подхода разработаны математические модели, описывающие взаимодействие с массивом пород и напряженно-деформированное состояние различных типов, видов и конструкций крепи горных выработок и обделок тоннелей при всех основных видах нагрузок и воздействий, которые испытывает система «крепь-массив».

Разработаны методы расчета и основы технологий возведения многослойных обделок для комплексов параллельных тоннелей круглого и произвольного сечения, крепей стволов в неоднородном и неравномерно оттаивающем массиве вечно мерзлых пород и многослойной крепи в трансверсально-изотропном массиве, различных типов анкерной крепи. Разработаны методы прогнозирования осадок дневной поверхности при строительстве тоннелей и расчета обделок тоннелей мелкого заложения, позволяющие исследовать влияние нагрузок от массы здании, сооружений и транспортных средств. Обоснование и разработка новых материалов для подземного строительства ведется в направлении повышения долговечности инженерных конструкций. Это приводит к необходимости постановки исследований кинетики комплекса процессов, протекающих при взаимодействии инженерных конструкций с массивом. Примером подобных исследований могут служить исследования механизма процесса массопереноса в бетоне конструкций подземных сооружений при фильтрационном, диффузионном и капиллярном потоках агрессивных веществ и кинетики коррозионных процессов. В частности, установлены эмпирические зависимости изменения прочности бетона тоннельных конструкций, подвергающихся длительному воздействию сульфатных вод, от степени агрессивности последних. Обводненность подземных выработок и рост гидростатических давлений потребовали создания водонепроницаемых материалов для крепления. Для нейтрализации агрессивного воздействия подземных вод на крепи и обделки созданы сульфатостойкие цементы. Необходимость забутовки выработанных полостей и закрепного пространства потребовала создания водостойких пластичных и дешевых материалов с использованием гипсоцементно-шлаковых составов совместно с горелыми породами в качестве заполнителей.

Проблемы укрепления и тампонажа несвязных и трещиноватых горных пород привели к разработке рецептур укрепляющих составов на полимерной основе, тампонажных - на глино-цементной и цементной основах.
Третий научный раздел «Строительной геотехнологии» охватывает широкий круг задач, изучающих взаимосвязи горно-строительных процессов и их параметров, техники и технологии подземного строительства с природными факторами и функциональным назначением объектов.

Вертикальные стволы шахт, особенно глубокие (более 1500 м), представляют собой весьма ответственные горные выработки, которые относятся к сложным, трудоемким и дорогостоящим объектам высокого инженерного класса. Затраты на строительство стволов, шахт и рудников составляют от 20 до 50 % общей стоимости горно-капитальных работ, а продолжительность проходки -от 30 до 60 % от общей продолжительности строительства шахты. Естественно, что проблеме исследования технологических схем проходки вертикальных стволов шахт, выбору наиболее рациональных схем для конкретных горногеологических условий, исследованию устойчивости пород, окружающих ствол, выбору типа крепи, взаимодействию пород с крепью ствола, т.е. исследованию вопросов строительной геомеханики, посвящен целый ряд научных работ. В этих работах рассмотрены вопросы оптимального проектирования и создания интенсивных технологий проходки вертикальных стволов, шахт и рудников с применением буровзрывного способа разрушения горных пород. Созданы системы многофакторных моделей, наиболее полно отражающих целостную картину реального многообразия производственного механизма проходки стволов. В результате многолетних комплексных исследований получены новые научные знания:

- установлены основные закономерности технологии проходческих процессов, реально отражающие современный уровень организации и механизации работ;

- получены многофакторные зависимости комплексного влияния различных горнотехнических и технологических факторов на скорость и трудоемкость проходки стволов;

- разработаны расчетно-аналитические методы интенсификации и оптимизации производственно-технологического режима проходки с учетом оценки детерминированных и вероятностных связей в совокупном их проявлении;

- установлены количественные связи новых элементов технологии БВР с применением глубоких шпуров и механизированных бурильных установок;

- определены особенности функционирования погрузочных и подъемных установок в рамках единого процесса безлюдной погрузки породы и работы без перецепки бадей;

- предложен новый подход к определению и оценке стоимостных параметров проходческих работ по системе экономического паспорта на базе обобщения элементов первичных затрат.

В результате были разработаны прогрессивные совмещенные технологические схемы проходки стволов с призабойным возведением бетонной крепи, параллельно-щитовая схема с возведением постоянной крепи, новые типы призабойных опалубок с автоматизированным отрывом от бетона и др. Все это обеспечило достижение высоких темпов проходческих работ (до 400 м/мес).

Зарубежный и отечественный опыт свидетельствует, что освоение подземного пространства все в большей степени требует применения высоких технологий, представляющих собой органический синтез фундаментальных закономерностей горно-строительных процессов, совершенных способов ведения работ, наивысшего уровня их механизации, контролируемости и возможностей управления. Характерным примером современной высокой технологии проходки горизонтальных подземных горных выработок является строительство подводного железнодорожного перехода под проливом Ла-Манш. Протяженность каждого из трех тоннелей 50 км. Железнодорожные и вспомогательные тоннели с внутренними диаметрами соответственно 7,6 и 4,8 м прокладывали с обеих сторон. Для проходки тоннелей были использованы специально сконструированные тоннелепроходческие комплексы. На участках сооружения тоннелей в скальных и смешанных породах проходческие комплексы оборудовали системами опережающего химического укрепления пород. В благоприятных условиях при применении обделки, обжимаемой в породу, была достигнута рекордная скорость проходки - 1700 м/мес, а на участках, где применялась обычная обделка из железобетонных тюбингов с болтовыми связями и гидроизоляцией швов, скорость не превышала 1200 м/мес.
Технология строительства подземных сооружений и ее организационные формы за последние десятилетия претерпели принципиальные изменения, став областью высоких технологий и деловой активности специализированных фирм. Наиболее перспективен при проходке тоннелей новый австрийский метод (НАТМ). Присущая ему гибкость технологии в сочетании с инженерногеологической экспертизой и систематическим контролем за изменением деформированного состояния крепи и окружающего массива создают оптимальные условия для широкого распространения HATM при проходке подземных горных выработок в неоднородных инженерно-геологических условиях, в том числе в закарстованных грунтах. HATM предусматривает использование анкеров и набрызг-бетона. В варианте аналогичного способа проходки горных выработок, разработанном отечественными специалистами, предусматривается закрепление выработки по ее длине крепями, имеющими различную несущую способность и податливость. Таким образом, в процессе строительства выработки как бы регулируется несущая способность крепи в зависимости от изменения геомеханических условий. Способ крепления горных выработок, включающий установку первоначальной крепи и последующее ее усиление дополнительными элементами, отличается тем, что с целью обеспечения соответствия характеристик крепи свойствами массива горных пород определяют минимальные, максимальные и сигнальные смещения кровли выработки, а первоначальную (базовую) крепь устанавливают на всем ее протяжении с несущей способностью, соответствующей минимальным смещениям. Внедрение крепи регулируемого сопротивления позволяет исключить необоснованные запасы прочности крепи на участках с благоприятными горногеологическими условиями и предотвратить ее разрушение и перекрепление в неблагоприятных условиях за счет своевременного увеличения несущей способности. Сформулированный новый подход к креплению выработок является основой для разработки гибкой ресурсосберегающей технологии в шахтном строительстве. Экспериментальное внедрение разработанного способа крепления подтвердило его эффективность. Норвежский способ проходки тоннелей (НГМ) наиболее применим для сооружения тоннелей в крепких трещиноватых породах, разрабатываемых обычно с выемкой пород буровзрывным или комбайновым способами и креплением набрызг-бетонной крепью и анкерами. Одним из важнейших направлений научных исследований в области совершенствования технологии строительства тоннелей является механизация горнопроходческих работ.
Ведущие фирмы мира разрабатывают новые проходческие комбайны и совершенствуют уже созданные. Так, японская фирма «Мицубиси» изготовила новый проходческий комбайн для сооружения тоннеля диаметром 8,4 м. Самый большой в мире роторный проходческий щит изготовлен также японской фирмой «Кавасаки даюкоге». Его наружный диаметр 13,98 м, длина 11,8 м, мощность привода 1080 кВт. Самый большой в мире проходческий арочный щит для проходки тоннелей сечением 150 м2 изготовлен в Италии.

Расширяется область применения стреловых комбайнов избирательного действия, имеющих навесное оборудование для бурения шпуров и установки анкеров и металлической арочной крепи. При использовании комбайнов избирательного действия в тоннелестроении средняя скорость проходки составляет 150 м/мес и более.

На проходке перегонных и станционных тоннелей метрополитенов в России применяются проходческие комбайны со стреловидным органом. Их внедрение обусловило коренное изменение технологии проходки и крепления выработок, применение многооборотной инвентарной и металлической арочной крепи и, что особенно важно, позволило отказаться от буровзрывного способа работ в условиях городской застройки. Строительство метрополитенов в самых различных гидрогеологических условиях, и в первую очередь в неустойчивых и мягких горных породах, осуществляется во все более увеличивающихся масштабах с помощью проходческих щитов различных типов. В частности, реализована технология, при которой порода в призабойной камере щита, отделенной герметичной перегородкой и заполненной грунтовым или тиксотропным раствором, разрабатывается гидромеханизированным способом или механизированным исполнительным органом, превращается в пульпу и удаляется по трубе. Особенно эффективным оказалось применение механизированных щитов в сочетании с обделками, обжимаемыми в породу. На строительстве Санкт-Петербургского метрополитена в сухих протерозойских глинах были достигнуты устойчивые скорости проходки тоннеля щитовым комплексом до 300 м/мес, а рекордная скорость сооружения составила 1253 м/мес.
Сооружение камер большого сечения требует решения двух взаимосвязанных проблем: обеспечение устойчивости массива пород вокруг камер и эффективность разработки внутрикамерного объема. Для решения первой проблемы разработан ряд конструктивных и технологических решений, к которым относится предварительное укрепление скального массива при сооружении подземных камер большой площади сечения, предназначенное, в частности, для проходки камер пролетом 50-60 м и высотой 60-80 м в зонах значительных тектонических нарушений и сейсмических районах.

Для строительства вертикальных камер цилиндрической формы предложен способ, в котором для создания защитного пояса используется спиральный тоннель, проводимый по периферии камеры. Размеры породных целиков между спиралями тоннеля должны обеспечивать их устойчивость. Из спирального тоннеля крепят контур камеры предварительно напряженными анкерами. Тем самым еще до начала разработки вокруг камеры создается защитный пояс из породы, укрепленной анкерами, воспринимающий деформации горного массива при строительстве камеры. При недостаточно прочных породах для этой цели модно применять инъекционное упрочнение массива различными способами. Примером может служить сооружение универсальной камеры в горе Ховдетоппен в г. Цевин (Норвегия) для спортивной арены «Евик Олимпик» к зимним Олимпийским играм 1994 года. Эта камера является одной из крупнейших в мире, сооруженной в скальных породах: ширина ее 62 м, длина 91м, высота 25 м. Арена рассчитана на 5400 зрителей. Проходку камеры вели буровзрывным способом с первоначальным проведением двух подходных тоннелей поперечным сечением 20 и 45 м2. Затем из первого тоннеля прошли верхнюю центральную штольню вдоль всей длины будущего зала, в которой установили измерительное оборудование для контроля за развитием деформаций пород и осадками в процессе проходки. После завершения проходки центральной верхней штольни начали разработку пород в прилегающих к ней боковых выработках. Таким образом, пролет на этой стадии работ составил 32 м. Одновременно с проходкой верхних боковых выработок возводили постоянное крепление свода. Параллельно с работами в сводовой части зала вели проходку основного подходного тоннеля к подошве камеры и двух наклонных от него к выработкам в пятах свода. На заключительной стадии работ по созданию свода будущего зала разрабатывали породу между ними и верхними боковыми выработками. По завершении этих работ возводили постоянное крепление свода и затем разрабатывали нижнюю часть сечения камеры традиционным уступным способом (максимальная высота уступа 12 м), после чего наносили сталефибронабрызг-бетон и устанавливали напряженные анкеры. При выполнении работ систематически проводили измерения деформаций и контролировали состояние поверхности свода и стен. Применение новых ядерно-взрывных способов строительной геотехнологии в горной промышленности является результатом фундаментальных исследований эффектов воздействия подземных камуфлетных ядерных взрывов на горные породы. При их помощи сооружены подземные емкости больших объемов для хранения природного газа и подземного захоронения промышленных высокотоксичных отходов.

Научно-технической основой взрывных строительных технологий являются физические законы взрывных процессов под землей, описывающие механическое и сейсмическое действия взрыва, распространение ударных волн. При этом важно обеспечить безопасность при взрыве, особенно радиационную. Моделирование крупномасштабных взрывов при различных параметрах волновых полей, связанных с энергией взрыва и свойствами горных пород, применялось для исследования основных направлений эффектов воздействия взрывов ядерно-радиационных эффектов электромагнитных, термодинамических и волновых. В результате были получены эмпирические формулы для определения радиуса полости и высоты столба обрушения, характер изменения трещиноватости с расстоянием, определена проницаемость непосредственно в массиве горных пород (в зоне трещиноватости). В зависимости от мощности заряда, глубины его размещения и свойств горного массива выделены семь характерных зон (гидродинамическая, зона вытеснения пород, смятия, дробления, интенсивной трещиноватости, блоковой трещиноватости, упругих деформаций) и определены их размеры в зависимости от радиуса полости R: зона смятия или интенсивного расширения пород и минералов равна (1,2+1,6)хR, зона дробления пород -(2,5+3)хR в сводной части; зона интенсивной трещиноватости - до 6хR; блоковой трещиноватости - (7,8+8)хR; зона упругих деформаций достигает 10xR. На основе теоретических и экспериментальных исследований создана методика расчета сейсмического действия подземных ядерных взрывов, определяющего выбор места заложения заряда, его мощность и границы зоны сейсмической безопасности.

Для создания подземных емкостей в калийных солях с помощью мощных ядерных камуфлетных взрывов разработаны теоретические основы создания устойчивых, сухих и герметичных подземных емкостей, методика, описывающая развитие подземной полости во времени, инженерные методы определения размеров полости, размеров зон откольных явлений и герметизирующих толщ.

Эти исследования послужили основой для создания принципов конструирования скважин для спуска ядерных зарядов, производства взрыва, технологий и способов безопасного вскрытия и технологической эксплуатации емкостей, методов расчета отдельных узлов скважины, методы мониторинга за состоянием среды во время взрыва, вскрытия полости и во время эксплуатации.

По разработанным технологиям с применением подземных ядерных взрывов было сооружено 23 емкости суммарным объемом более 850 000 м3. Наша страна обладает приоритетом создания первой в мире подземной атомной станции (ПАС), построенной в конце 50-х годов. Установки и оборудование станции расположены в подземных камерах с пролетами 16-20 м, высотой - до 60 м, длиной - до 300 м. Ширина междукамерных целиков машинного зала 40 м (2 пролета камер). Камеры имеют железобетонную обделку, включающую пилоны, своды и стены арочной конструкции с горизонтальным распором.

В результате многолетних научно-исследовательских работ, сопровождавших эксплуатацию подземных атомных сооружений (ПАС), получены зависимости: развития горного давления в массиве горных пород от повышенных температур действующих ядерно-энергетических установок; изменения температуры вмещающих пород на контурах подземных сооружений большого сечения (реакторных камер, камер теплообменников, машинного зала, вентиляционных залов и др.); напряженно-деформированного состояния железобетонных обделок стен камер и распорных ригелей от совместного воздействия горного давления и повышенных температур.

На этой основе разработаны методы и средства системы регламентных измерений, специальных исследований и контроля состояния подземных сооружений с учетом влияния горного давления, геологического строения, физикомеханических свойств вмещающих горных пород, их влажности, температуры вмещающих пород, обделки и внутренних железобетонных конструкций, воздуха в камерах, радиационного воздействия на материалы, времени работы сооружений. Все это послужило созданию научно-технических основ прогнозирования устойчивости и надежности подземных сооружений и концепции подземного радиационно безопасного, экологически чистого размещения и эксплуатации отработавших блоков и захоронения ПАС в различных горно-геологических условиях. В соответствии с требованиями МАГАТЭ о многобарьерности системы изоляции и защиты ПАС и могильников радиационно-активных отходов сформулированы основные требования к выбору участка строительства таких объектов, выбору поперечных сечений камерных выработок и технологии их сооружения. Доказано, что ПАС можно сооружать даже в подземном пространстве мегаполисов.

Планомерное освоение подземного пространства крупных городов поставило перед учеными и производственниками задачу обоснования способов и схем технологии реконструкции и восстановления подземных сооружений с целью увеличения срока их службы или повторного использования с новым функциональным назначением. Важное место в решении этой сложной задачи занимает диагностика инженерных конструкций подземных сооружений, работающих в различных горно-геологических условиях и состояниях окружающей среды. Основу общего подхода к оценке состояния конструкций подземных сооружений составляют закономерности изменения качества строительных материалов и конструкций во времени при их взаимодействии с окружающей средой. Установлены основополагающие качественные взаимосвязи состояния окружающей среды и долговечности бетона и железобетона, однако для их практического использования в условиях подземного строительства необходимо накопление статистических данных о наработке конструкций на отказ с целью планирования сроков и стоимости выполнения ремонтных работ.
Четвертый научный раздел «Строительной геотехнологии» связан с обоснованием и разработкой специальных способов и технологий управления состоянием породного массива при ведении горно-строительных работ. Научные исследования в области управления состоянием массива при способах строительства подземных сооружений начали развиваться с середины 30-х годов по мере освоения месторождений полезных ископаемых в неблагоприятных гидрогеологических условиях и с началом строительства подземных сооружений в крупных городах. К специальным способам строительства подземных сооружений относятся способы искусственного замораживания и химического упрочнения пород, тампонирование, водопонижение, способ «стена в грунте» и др. Для обоснования основных технологических параметров специальных способов строительства и методов управления состоянием массива необходимо знание закономерностей поведения пород и изменения их свойств при различных воздействиях на них. В период становления способа замораживания, когда работы велись на незначительных глубинах от поверхности земли, развитие теории искусственного замораживания велось из предпосылки, что вокруг каждой замораживающей колонки в течение всего периода времени формируется ледогрунтовое ограждение цилиндрической формы. Исходя из этого была разработана теория, не учитывающая взаимовлияние смежных замораживающих колонок, и обоснованы основные параметры технологии замораживания, удовлетворявшие нуждам практики до перехода на глубины замораживания более 100 м и на низкотемпературные режимы.

Более поздними исследованиями было установлено влияние на режим замораживания расстояния между скважинами и роль смыкания ледопородных тел, формирующихся вокруг колонок. После смыкания ледопородных тел в замкнутое ограждение происходит интенсивное выравнивание общего фронта промерзания вокруг всех колонок, в этот период скорость формирования ледопородного ограждения в замковой плоскости в 4-5 раз выше, чем в начальный. Описанные закономерности формирования ледопородных ограждений справедливы для условий отсутствия движения подземных вод, т.е. фильтрации.
Исследования в этой области показали, что в условиях фильтрации формирование ледопородного ограждения вокруг каждой колонки принципиально отличается от вышеописанного. Ледогрунтовые тела вокруг колонок имеют вид эллипса и эксцентриситета, значение которого зависит от температуры подземных вод и скорости фильтрации. По мере увеличения ледопородных тел скорость в щели смыкания увеличивается, и при определенных условиях наступает предельно-равновесное состояние, т.е. прекращается рост ледопородного ограждения. Для таких случаев разработаны технические и технологические решения по формированию ледопородных ограждений.

В последние годы создан принципиально новый способ замораживания с применением твердых криоагентов, использование которого раскрывает новые возможности по внедрению в практику подземного строительства ресурсосберегающих технологий замораживания. Для проведения горных выработок при значительных притоках воды во многих случаях предусматриваются технологии с применением тампонирования пород.
На основании многочисленных исследований структурно-механических и геологических свойств возможных тампонажных растворов и эффективности их применения установлено, что наиболее приемлемым для борьбы с водопритоками при строительстве шахт являются растворы, в которых содержание вяжущего по массе составляет 8-13 %. Это означает, что тампонажный раствор должен, с одной стороны, обладать максимально высокими структурномеханическими свойствами, а с другой - удовлетворительно прокачиваться насосом. Таким требованиям удовлетворяют глиноцементные растворы. Результаты исследований в этой области легли в основу разработки и широкого внедрения в практику подземного строительства методологии выбора составов тампонажных растворов с учетом геологических условий месторождения или подземного объекта. На базе выполненных за последние годы комплексных исследований обоснованы и разработаны новые специальные способы, такие как «стена в грунте», вакуумное водопонижение и др.
Строительная геотехнология, как составная часть комплекса горных наук, связана с широким кругом естественных, общетехнических и социально-экономических наук. В своем развитии она опирается на знания физики, химии, математики, геологии, теплотехники и термодинамики, экономической теории, социологии и др. Кроме того, ее специфические особенности обусловливают связь со строительной механикой, инженерной геологией, материаловедением, охраной труда, экологией и правом.

Основные направления научных исследований в области строительной геотехнологии:

- формирование государственной концепции освоения подземного пространства для размещения объектов различного народнохозяйственного назначения с учетом рационального использования ресурсов недр и охраны окружающей среды;

- разработка методов проектирования и строительства крупных многопрофильных предприятий с малоотходными, ресурсосберегающими и экологически безопасными геотехнологиями, обеспечивающих комплексное освоение и сохранение ресурсов недр, возможность использования созданного выработанного пространства;

- инженерные и геомеханические основы технологий строительства, реконструкции и восстановления подземных сооружений при освоении подземного пространства;

- исследования гидродинамических, тепловых и аэродинамических процессов в системе «подземное сооружение-массив горных пород» при создании и эксплуатации подземных объектов;

- разработка методов обеспечения устойчивости подземных горных выработок и методов ее контроля, а также критериев допустимых естественных и техногенных воздействий на массы горных пород;

- разработка технологий подземного захоронения и хранения различных категорий отходов и общих принципов выбора оптимальных вариантов объемно-планировочных, конструктивных решений и компоновочных систем подземных хранилищ с учетом структурно-тектонических и геодинамических условий;

- создание способов и методов контроля состояния отходов в процессе их утилизации и хранения, в том числе с использованием системы долговременных наблюдений.