CC BY
142
АНАЛИЗ СЛОЖИВШИХСЯ КЛАССИФИКАЦИОННЫХ СИСТЕМ ПОДЗЕМНЫХ СООРУЖЕНИЙ
ANALYSIS OF CLASSIFICATIONS OF UNDEGROUND
STRUCTURES
Д.С. Конюхов
МГСУ ИЭВПС, кафедра ПОГР
В статье рассматриваются существующие системы классификаций подземных сооружений, обсуждается роль, которую они играют в подземном строительстве и даются примеры классификационных систем.
The paper presents the consideration of systems of classification of underground structure. It is discussed the importance of these systems for underground construction and examples of different systems are given.
В исследовании освоения подземного пространства важную роль играет система классификаций, которая позволяет, с одной стороны, стандартизировать терминологию, а с другой - сформировать типологию объектов для дальнейшего анализа. Классификации позволяют:
1. базируясь на основных признаках подземных объектов, дать такое их описание, которое может быть понятно без дополнительных пояснений;
2. сформировать объекты в группы и классы для дальнейшего группового анализа;
3. дополнять уже сформированные типологии новыми объектами.
Основная трудность в разработке классификационной системы для подземных объектов заключается в чрезвычайном разнообразии как самих объектов, так и их классификационных характеристик, а также в различных профессиональных подходах составителей. Поэтому в данной работе мы сделали попытку рассмотреть основные системы классификаций подземных выработок, существующие как в нашей стране, так и за рубежом.
Необходимо начать с того, что в нашей стране все подземные выработки принято подразделять на 2 группы [2]:
• подземные объекты производственного назначения, связанные с добычей полезных ископаемых;
• подземные сооружения, не связанные с добычей полезных ископаемых.
В дальнейшем мы будем рассматривать подземные сооружения не связанные с добычей полезных ископаемых.
Существует ряд классификаций подземных сооружений, разработанных различными авторами [1, 4... 6, 8... 10, 14... 17, 19, 21 и многие другие]. В основу этих классификаций положены различные принципы, однако все они могут быть разделены на следующие группы, по:
I. социально-функциональному назначению;
II. глубине заложения относительно дневной поверхности;
III. расположению;
IV. объёмно-планировочной схеме;
V. геометрической форме выработки1;
VI. технологии строительства;
VII. взаимодействию подземного объекта с внешней средой (по «экологичности»);
VIII. комплексные классификации.
В зависимости от основного функционального назначения и размещения в городе, обычно принято выделять подземные сооружения, устройства и системы, связанные с инженерной подготовкой территории, её осушением или обводнением, инженерным благоустройством, развитием систем инженерного оборудования и др. задачами.
В работе [5] все подземные сооружения подразделяются по своему назначению на 2 группы:
1. используемые в промышленности;
2. применяемые в городском хозяйстве.
Более подробные классификации приводятся в работах: [8... 10, 19 и др.]. В частности, в [9] 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, ГАЭС и АЭС, шинные и кабельные тоннели и шахты, энергетические водоводы, низовые бассейны ГАЭС и проч.);
• 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 коллекторы тепло-, газо-, электросетей и водопровода, бензопроводы между автозаправочными станциями, очистные, перекачные и водозаборные сооружения и т.д.);
• специального и научного назначения (ускорители заряженных частиц, тоннели для аэродинамических испытаний, подземные заводы, оборонные объекты, сооружения гражданской обороны и проч.).
По аналогичным признакам составлены классификации, приводимые в [3, 14, 16, 18, 19]. Кроме этого, авторами [19], по аналогии с зарубежными классификационными системами, в перечень введена отдельная категория «жилые здания», однако, в соответствии с [11], в подземном пространстве не допускается размещать:
1. Жилые помещения.
2. Учебные помещения для детей.
3.Учебные помещения для взрослых с пребыванием в них более 4 ч.
4. Административные помещения с постоянным режимом работы.
По длительности пребывания персонала в подземных помещениях [17] объекты городской застройки дифференцируются следующим образом:
• объекты кратковременного пребывания (до 1 ч);
• объекты со средней продолжительностью пребывания (1,5 - 3 ч);
• объекты длительного пребывания (более 3 ч).
1 Под выработкой в данном случае понимается полость в грунтовом массиве, как естественного, так и искусственного происхождения.
Большинство отечественных классификаций построены на функциональных признаках подземных сооружений и не учитывают социально-экономические аспекты их строительства и эксплуатации, а также размещение в подземном пространстве объектов религиозного назначения.
Зарубежные классификации так же могут базироваться на функциональных и эксплуатационных признаках, как это, например, предлагается в [21] (табл. 1). Подобный подход объясняется тем, что к подземным сооружениям, предназначенным для длительного посещения или использования людьми предъявляются повышенные санитарно-гигиенические, эстетические и психологические требования, по сравнению с объектами, предназначенными для кратковременного посещения, или имеющими узкоспециальное направление.
Таблица 1.
Функциональное назначение Направление использования
Антропогенное Производственное
Жилье Многосемейное На одну семью
Нежилые помещения Религиозное Развлекательное Учебное Коммерческое Промышленное Парковки Хранилища Сельское хозяйство
Инженерная инфраструктура Перевозка пассажиров Перевозка грузов Инженерные сети (тепло-, водо-, энергоснабжение) Энергетика Утилизация отходов Горная промышленность
Специальное назначение Гражданская оборона Оборона
В то же время, в работе [8] все подземные объекты разделены на 4 группы по социально-экономическим аспектам их использования:
• подземные объекты хозяйственного назначения - энергетические и горнопромышленные комплексы, промышленные предприятия, транспортные магистрали, аграрные предприятия, хранилища, склады, гаражи, автостоянки;
• подземные объекты социального назначения - библиотеки, спортзалы, кинозалы, магазины, рестораны, бассейны, больницы, музеи, научные центры;
• подземные объекты экологического назначения - хранилища-могильники для радиоактивных отходов и вредных веществ, опасные производства;
• подземные объекты оборонного назначения.
Подобная классификация может быть полезна, в частности, при выполнении системного анализа приоритетных направлений комплексного освоения подземного пространства мегаполиса, т.к. в её основу положены не технические параметры конкретных объектов, а их социально-экономическое значение для города или инвестора.
Существуют и другие подходы к классификации подземных сооружений. Например в [17] предлагается номенклатура подземных сооружений по назначению в зависимости от проектной численности городского населения на расчётный срок.
Прежде чем перейти к классификации подземных сооружений по объёмно-планировочным характеристикам искусственных выработок, необходимо отметить, что в зарубежной литературе большое внимание уделяется использованию естественных пустот в грунтовом массиве, а также использованию отработанных горных выра-
боток. В частности, авторами [21] предлагается следующее подразделение естественных пустот:
• пещеры;
• выемки (ямы, овраги);
• хранение подземных вод в порах и трещинах грунта;
а также даётся типология подземных выработок по происхождению (табл. 2).
Таблица 2
Тип выработки Происхождение Ориентация в пространстве
Поры в грунте Трещины Естественное Заполненные Незаполненные
Буровые скважины Шахты Искусственные Вертикальные Наклонные
Туннели микротуннели Естественные Искусственные Горизонтальные Наклонные Спиральные
Пещеры Камерные выработки Естественные Искусственные
Траншея Котлован Искусственные
В соответствии с планировочной схемой, специально построенные подземные объекты традиционно принято подразделять на [6]:
• тоннели - горизонтальные или наклонные подземные сооружения, длина которых во много раз превышает размеры поперечного сечения;
• камеры - в основном горизонтальные горные выработки (глубокого заложения), имеющие большие размеры во всех трёх направлениях;
• шахты (стволы) - вертикальные горные выработки;
Традиционные схемы обычно не учитывают одно- и многоуровневые подземные сооружения мелкого заложения, возводимые как под зданиями, так и под незастроенной территорией, у которых высота много меньше или соизмерима с габаритами сооружения в плане. В связи с этим, в соответствии с назначением и пространственной организацией перечисленных в предыдущем разделе подземных объектов можно сформулировать их пространственно планировочные характеристики. По этому признаку все подземные объекты могут быть подразделены на:
• плоскостные, распределённые в одной плоскости на определённом участке территории и в основном используемые при наличии перепадов рельефа;
• линейные - характерны для инженерных и транспортных сетей;
• точечные - локальные сооружения и устройства, обслуживающие отдельные здания или участки территории.
Число классификаций подземных сооружений по глубине заложения значительно более ограничено, по сравнению с предыдущими группами. В настоящее время различными авторами в той или интерпретации предлагаются 3 вида такого рода классификаций.
В работах [5, 10] предлагается все подземные сооружения подразделять на:
• подземные;
• заглублённые;
• частично заглублённые.
Авторами [6, 9, 14, 16] излагается более традиционный подход, при котором все подземные сооружения по глубине заложения и способу строительства подразделяются на 2 группы:
• мелкого заложения, имеющие глубину заложения 10 - 15 мот дневной поверхности или Н < (2 -г- 3)В (где В - наибольший размер (пролёт или высота) поперечного сечения выработки) и проходимые открытым способами (со вскрытием дневной поверхности);
• глубокого заложения, имеющие глубину более 10 - 15 мот дневной поверхности или Н > (2 -г- 3)В и проходимые закрытыми (горными) способами (без вскрытия дневной поверхности).
В [20] была предложена номенклатура подземных сооружений по глубине заложения вне зависимости от метода возведения. Позднее была она была переработана и изложена в [15] следующим образом:
• мелкого, расположенные на глубине до 10 - 12 м;
• среднего - от 12 до 20 - 25 м;
• глубокого - свыше 25 м.
Хотя в зарубежной литературе принят несколько иной подход. Авторами [23] предлагается следующее распределение подземных сооружений по глубине заложения (табл. 3):
Таблица 3
Типичный диапазон используемых глубин, м
Сооружения Инженерные сети Здания Инженерные коллекторы Горные выработки
Мелкого заложения 0 - 2 0 - 10 0 - 10 0 - 100
Среднего заложения 2 - 4 10 - 30 10 - 50 100 - 1000
Глубокого заложения больше 4 больше 30 больше 50 больше 1000
А в [22] приводится схема взаимного расположения подземных сооружений и дневной поверхности:
Форма поперечного сечения тоннеля зависит от инженерно-геологических условий района строительства и способа ведения работ по его проходке. Существуют следующие формы поперечного сечения тоннелей [7, 13]:
1. прямоугольное,- для коллекторов и тоннелей мелкого заложения;
2. круговое - для тоннелей, сооружаемых механизированным способом и в сложных инженерно-геологических условиях;
3. сводчатое.
В крупных камерных выработках могут размещаться машинные залы подземных сооружений энергетики, станции метрополитена, различные хранилища, склады, ёмкости, спортивные сооружения, убежища, канализационные, насосные, очистные станции и другие объекты. Существуют следующие формы поперечного сечения камерных выработок [12]: корытообразная, коробовая, эллиптическая, полуциркульная, несимметричная.
В соответствии с условиями расположения в городе принято выделять [14]:
• подземные сооружения, расположенные под городскими улицами и площадями, скоростными дорогами, путями рельсового транспорта и различного рода проездами;
• подземные сооружения, расположенные под незастроенными участками, в том числе под скверами и бульварами;
• подземные сооружения и подземные части зданий, расположенные непосредственно под жилыми, административными и общественными зданиями или их комплексами;
• отдельные подземные сооружения или части сооружений, входящие в состав развитых комплексов инженерно-транспортного назначения, которые могут располагаться под городскими улицами, площадями и зданиями различного назначения.
Кроме этого, авторами [6, 9] отмечается, что подземные объекты, расположенные под застроенной территорией, могут быть:
• изолированными от зданий и сооружений;
• встроенными - подземные сооружения, совмещённые с подвальными этажами здания;
• пристроенными - подземные сооружения, расположенные рядом со зданиями и присоединённые к ним подземными проездами и переходами;
• встроенными - пристроенными.
Роль подземных сооружений в городской застройке может быть охарактеризована следующим образом [21]:
1. минимальное, характеризующееся размещением под землёй в основном инженерных коммуникаций
2. использование приповерхностных уровней в основном для размещения пешеходных переходов и коммерческих объектов;
3. строительство связанных между собой многоуровневых подземных комплексов.
Не менее важны классификации по взаимодействию подземного объекта с внешней средой (по «экологичности»). В этом случае подземные сооружения классифицируются следующим образом [9]:
• сооружения, необходимость возведения которых определяется директивно, без учёта их возможного взаимодействия с внешней средой (объекты специального назначения, гражданской обороны, некоторые транспортные тоннели, первые линии метрополитенов и проч.);
• сооружения при проектировании и строительстве которых экологические факторы учитываются в неявном виде (большинство транспортных тоннелей и метрополитенов, подземные ГЭС и ГАЭС, различные хранилища и т.п.);
• сооружения, при проектировании и строительстве которых максимально учитывается взаимодействие подземного объекта и природной среды (Манежная площадь, Москва-Сити, современные линии метрополитенов);
• объекты возведённые с целью минимизации влияния вредных факторов на окружающую среду (подземные АЭС, хранилища агрессивных и вредных веществ, радиоактивных отходов, современные автотранспортные тоннели);
• сооружения экологического назначения (альтернативные системы тепло- и энергоснабжения использующие солнечную энергию, и т.п.).
Комплексные классификации подземных сооружений базируются на 2-х и более признаках и встречаются лишь в отдельных литературных источниках. Например, в работе [6] предлагается классификация городских подземных транспортных сооружений в зависимости от их планировочной схемы, функционального назначения, глубины заложения, расположения и способу строительства.
В целом эти классификации повторяют и обобщают ранее изложенные типы, приведённые к удобному виду блок-схем.
Несколько иной подход по составлению обобщённой классификации подземных сооружений изложен в [1].
Универсальная классификация, предназначенная для компьютерных баз данных, разработана авторами [21] и приведена в табл. 4.
Таблица 4.
Признак Категория
Назначение Жилые
Не предназначенные для постоянного проживания
Объекты инженерной инфраструктуры
Объекты оборонного назначения
Геометрия Вид полости
Её форма
Глубина заложения
Габариты
Объёмно-планировочные решения
Происхождение Естественное
Отработанные горные выработки
Специально построенные сооружения
Особенности участка строительства Географическое положение
Климатические условия
Топография местности
Геологические условия
Условия строительства
Особенности проекта Размещение
Компоновка
Конструкция
Срок эксплуатации
Данная классификация, при соответствующей модификации, может использоваться при создании городской, региональной или государственной базы данных подземных выработок, а также разработки и реализации компьютерных систем оценки оптимальности решений проектирования подземных объектов на основании предварительных геологических исследований, типа «СИМАН» и «СТЕЛЛА», созданных в США.
Необходимо отметить, что классификация [21] не учитывает ряда особенностей, присущих городским подземным сооружениям.
Таким образом, на основании вышеизложенного можно сделать следующие выводы:
1. Проведённый анализ позволил выявить 8 типов классификаций подземных сооружений.
2. Все существующие типологии строятся на различных признаках, не позволяющих создать единую универсальную систему классификации подземных сооружений. Имеющиеся зарубежные примеры универсальных классификаций, используемых при создании различных баз данных, по сути представляют собой не классификационную систему, а набор данных для создания «паспорта» конкретного объекта.
3. Для различных научно-практических целей должны использоваться различные классификации. Например, при проведении системного анализа приоритетных направлений комплексного освоения подземного пространства наиболее целесообразно использовать социально-экономические подходы, а при разработке методики геотехнического сопровождения комплексного освоения подземного пространства удобно использовать подразделение подземных сооружений по глубине заложения и способу строительства.
Литература
1. Абрамчук В.П., Власов С.Н., Мостков В.М. Подземные сооружения. - М.: ТА Инжиниринг, 2005. - 464 с.
2. Бородин В.И. Индустриализация подземного пространства - глобальная перспектива XXI века. Информационный обзор. // Приложение к журналу «Подземное пространство мира». 1995, вып. 6. - 64 с.
3. Голубев Г.Е. Подземная урбанистика: Градостроительные особенности развития систем подземных сооружений. - М: Стройиздат, 1979. - 231 с.
4. Голубев Г.Е. Подземная урбанистика и город. - М.: ИПЦ МИКХиС, 2005. - 124 с.
5. Ивахнюк В.А. Строительство и проектирование подземных и заглублённых сооружений. - М.: Издательство АСВ, 1999. - 298 с.
6. Маковский Л.В. Городские подземные транспортные сооружения. - М.: Стройиздат, 1989. - 439 с.
7. Маковский Л. В. Проектирование автодорожных и городских тоннелей. - М.: Транспорт, 1993. - 352 с.
8. Келемен Я., Вайда 3. Город под землёй. // Пер. с венг. Под ред. Г.Е. Голубева. - М.: Стройиздат, 1985. - 248 с.
9. Конюхов Д.С. Использование подземного пространства. - М.: Архитектура-С, 2004. -296 с.
10. Кочерженко В.В. Технология возведения подземных сооружений. - М.: Издательство АСВ, 2000. - 160 с.
11. МГСН 4.04-94. Многофункциональные здания и комплексы.
12. Мостков В.М., Дмитриев Н.В., Рахманинов Ю.П. Проектирование и строительство подземных сооружений большого сечения. - М., Недра, 1993.
13. Мостков В.М., Орлов В.А., Степанов П.Д. и др. Подземные гидротехнические сооружения. Под ред. В.М. Мосткова. - М.: Высшая школа, 1986. - 464 с.
14. Рудяк М.С. Рациональное использование городского подземного пространства для гражданских объектов. - М.: Издательство МГГУ, 2003. - 235 с.
15. Руководство по комплексному использованию подземного пространства при строительстве и реконструкции метрополитенов. - М.: Корпорация «Трансстрой», АССОДСтроймет-ро, Тоннельная Ассоциация, НИЦ ТМ, 1995. - 151 с.
16. Руководство по комплексному освоению подземного пространства крупных городов. -М.: РААСН, 2004. - 208 с.
17. Руководство по составлению схем комплексного использования подземного пространства крупных и крупнейших городов. - М.: Стройиздат, 1978. - 75 с.
18. Сегединов А.А. Многоярусный город. - М.: Московский рабочий, 1981. - 166 с.
19. Умнов В.А., Харченко А.В. Проблемы развития городской подземной транспортной инфрасткутуры. - М.: Издательство МГГУ, 2004. - 126 с.
20. Швецов П.Ф., Зильберборд А.Ф. Под землю, чтобы сберечь землю. - М.: Наука, 1983. - 144 с.
21. Carmody J., Sterling R.L. Underground Space Design. A Guide to Subsurface Utilization and Design for People in Underground Space. - New York: Van Nostrand Reinhold, 1993. - 328 p.
22. Labs K.J. The architectural underground. // Underground Space. 1976 № 1. 1-8 c.
23. Labs K.J., Carmody J., Sterling R.L., Shen Y. Huang, Parker D. Building Foundation Design Handbook. Oak Ridge, Tenn.: Oak Ridge National Laboratory. - Undergroun Space Center, Univ. of Minnesota, 1988. - 350 c.
Ключевые слова: подземные сооружения, выработка, тоннель, пещера, классификационная система, типология, глубина заложения, технология, градостроительство, урбанизация
Key words: underground structure, excavation, tunnel, cave, classification system, typology, depth of arrangement, technology, urban development, urbanization.
