Рациональное использование подземного пространства в хозяйственных целях

Вестник ДВО РАН. 2005. № 5

В.Н.МАКИШИН

Рациональное использование подземного пространства в хозяйственных целях

Рассмотрены примеры использования подземного пространства в хозяйственных целях. Предлагаются основные типы подземных сооружений, которые целесообразно создавать в городах с горным рельефом местности. Показаны перспективы подземного строительства для условий Владивостока.

Rational use of underground areas for economic purposes. V.N.MAKISHIN (Mining Institute of the Far

Eastern State Technical University, Vladivostok).

Examples of practical use of underground areas for economic purposes have been considered. The basic types of underground constructions, expedient for cities with a mountain relief, have been offered. Prospects of underground building for Vladivostok conditions have been shown.

В настоящее время площадь земной поверхности, занятой под объекты жилищного, промышленного, хозяйственного и социально-культурного назначения, транспортные, энергетические и другие виды инженерных коммуникаций, составляет более 4% от всей поверхности суши. Освоение новых территорий ведет к сокращению лесных угодий и уменьшению площади земель, пригодных для производства сельскохозяйственной продукции. Площадь застройки в некоторых государствах Европы уже достигает 15% от их общей территории [8, с. 1]. Поэтому во многих странах ведется учет естественных и техногенных подземных полостей, пригодных для размещения в них различных по хозяйственному назначению объектов, а создание подземных сооружений во многих странах становится приоритетным направлением в области промышленного и хозяйственного строительства, утилизации отходов. Размеры используемых в настоящее время подземных пространств естественного и техногенного происхождения довольно значительны, а объемы составляют от нескольких сотен до сотен тысяч кубических метров.

Целесообразность освоения и эффективность использования подземных сооружений определяются экономико-географическими и горно-геологическими условиями района подземного строительства, ценностью земель, численностью населения, плотностью застройки территории. Большие перспективы подземного строительства у крупных городов, расположенных в горной местности. Перенос под землю вспомогательных хозяйственных объектов (складов, автостоянок, мелких производств, объектов соцкультбыта) позволит выделить земельные площади под жилищное строительство, благоустройство жилых массивов. Каков же мировой опыт в этой области?

МАКИШИН Валерий Николаевич - кандидат технических наук (Горный институт Дальневосточного государственного технического университета, Владивосток).

В г. Хельсинки (Финляндия) пользователями подземного пространства являются правительственные учреждения и общественные организации. Подземное строительство в основном сосредоточено вокруг технических и транспортных предприятий, убежищ гражданской обороны. Кроме того, часть подземного пространства используется под ремонтные центры, спортивные и дискотечные залы, подвалы ресторанов, склады товаров и автомобильные гаражи. В условиях Финляндии выгодно хранить в подземных бункерах необходимые для посыпки дорог в зимнее время материалы объемом от 500 м3 [9].

Наиболее важным для жизнеобеспечения столицы Финляндии является самый длинный в мире тоннель для подачи технической воды: его длина 120 км, поперечное сечение 15,5 м2. Для обслуживания тоннеля построены приемная и насосная станции, электростанция, компьютерный центр. Все объекты, за исключением компьютерного центра, расположены в подземных выработках [5].

Строительный фонд Хельсинки ежегодно увеличивается на 2-2,5 млн м3, или приблизительно на 2%. На начало 1984 г. было освоено 350 тыс. м3 подземного пространства, что позволило сохранить от застройки землю общей стоимостью 180 млн долл. Суммарная протяженность подземных коммуникаций города на этот момент составляла 103,3 км, их объем 1633 м3, а суммарный объем камерных выработок - около 3400 м3 [9].

Подземные сооружения возводят при нехватке земель под строительство и в случае отсутствия грунтов с достаточной несущей способностью. Например, реализация проекта подземного холодильника в г. Ниттендаль (Норвегия) была обусловлена отсутствием подходящей площадки для наземного строительства. Высота нагорной части рельефа над подземным сооружением здесь 16-25 м. С поверхностью подземный холодильник соединяется транспортной штольней протяженностью 75 м. Сечение выработки в проходке 4,5 х 5,3 м. Холодильник состоит из двух грузовых залов - выработки сводчатой формы, высота свода 7,7 м, высота стен 4,8 м, ширина камер 10 м. Они находятся на расстоянии 8 м друг от друга и соединены шлюзами. Общий строительный объем холодильника 10 240 м3, из них 7500 м3 составляют складские помещения. Машинное отделение холодильной установки находится в здании у портала штольни. Часть вспомогательных объектов также расположена на промплощадке предприятия [7].

В России институтом «Кривбасспроект» разработан рабочий проект подземных складских помещений пансионата «Кругозор» (г. Кисловодск) для длительного хранения продуктов [4]. В результате улучшается планировка территории санатория, не требуется дополнительная земельная площадь под размещение хозяйственных объектов, кроме того, обеспечиваются благоприятные условия для хранения продуктов, снижается расход электроэнергии на поддержание постоянной температуры в камерах-хранилищах, упрощается доставка продуктов. Основные технические решения учитывают расположение складских помещений в санаторно-курортной зоне и горной местности, а также застроенность участка. Предполагалось разместить складские помещения на глубине 17 м под существующим двухэтажным зданием столовой. Для строительства предусматривалось проведение наклонной транспортной выработки с углом наклона 16°. Площадь сечения транспортных выработок 13,36 м2, высота 3,63 м, ширина 4 м. Для доставки продуктов в камеры используется автотранспорт, для подъема продуктов в столовую - лифты.

Под землей целесообразно размещать небольшие промышленные производства. Например, подземная дробильная установка Герванта (Швеция) имела общую площадь 15 тыс. м2. Доступ к подземному дробильному комплексу здесь осуществлялся по наклонному конвейерному и вертикальному вспомогательному ство-

лам. Площадь сечения конвейерного ствола составляла 20 м2. Вертикальный ствол шахты был пройден сечением 9 м2 и предназначался для перепуска в камеру дробления крупного материала. Кроме того, в стволе для обеспечения второго запасного выхода был смонтирован вспомогательный подъемник. Порода перерабатывалась подземной дробильной установкой на песок, щебень и гравий. Подъем дробленого материала на поверхность осуществлялся ленточным конвейером по наклонному стволу [9].

Большая проблема крупных городов в настоящее время - парковка и стоянки автотранспорта. Строительство подземных автостоянок решило бы проблему парковки автотранспорта в центре города, около торговых центров и в жилых районах. При этом возможен перенос сервисных служб автотранспорта под землю, что позволило бы в значительной мере снизить их негативное воздействие на окружающую среду.

Гараж-стоянка линейного типа построен в Париже под улицей Георга V. Гараж имеет однопролетную схему, разделен на шесть подземных ярусов и рассчитан на 1200 автомобилей. Общая длина подземного гаража 332 м, ширина 14 м и глубина 15 м. По торцам сооружения расположены две вертикальные вентиляционные шахты, вокруг которых построены спиральные рампы. Шаг витка рамп выбран с учетом заезда автомобилей на ярусы. Одна рампа предназначена для въезда-выезда автомобилей, другая - для перемещения автомобилей с яруса на ярус [1].

В Москве в районе бывшей ВДНХ построен семиярусный подземный гараж вместимостью 2000 автомобилей, в жилом районе Северное Чертаново - серия подземных гаражей для размещения примерно 3000 легковых автомобилей [2].

Для сохранения поверхности целесообразно строительство камерных выработок (т. е. выработок большого сечения) различного назначения по длине транспортных выработок. Это подтверждается опытом г. Драммен в Норвегии, где в породном массиве горы Брагерн пройден наклонный спиральный тоннель протяженностью 1650 м. Тоннель используется для передвижения автотранспорта, в камерных выработках размещены подземные автостоянки, спортивные залы, бассейн и другие социальные объекты. Полезный объем подземного пространства (без учета вспомогательных выработок) составляет около 135 000 м3. Добываемый при проведении выработок песчаник шел на строительный материал [3, с. 93, 94, 190-196].

Активно используется подземное пространство в США. Крупнейший подземный комплекс производственных предприятий, складов и других объектов находится в районе г. Канзас-Сити. Под землей построены заводы по производству сельскохозяйственных машин, цветных телевизоров, прецизионных приборов. Здесь же размещены два городских промпарка, две международные торговые зоны, архивы, а также комплексные склады продовольственных и промышленных товаров, холодильники и зернохранилища. Общая площадь используемых в районе Канзас-Сити известняковых шахт - более 200 га. Для размещения различных объектов используется более 12% площади выработанного пространства, при этом 85% приходится на склады различного назначения и холодильники, 7% на производственные объекты, 5% на офисы и 3% на предприятия обслуживающего назначения. Общее число работающих на этих объектах превышает 3 тыс. человек [7].

У подземных сооружений есть ряд важных характеристик, выгодно их отличающих от объектов на земной поверхности: особый микроклимат, изолированность от разного рода поверхностных воздействий (шум, погодные условия, вибрации, радиоактивность и т.д.), способность удерживать тепловую и другие виды энергии, минимальное воздействие на окружающую среду (и это воздействие по сравнению с объектами на поверхности легче контролировать). Подземные сооружения часто

не требуют существенных затрат на внешнюю отделку и эксплуатацию и имеют значительно большие (200-500 лет) сроки эксплуатации по сравнению со зданиями и сооружениями на поверхности. В ряде случаев подземное пространство легче осваивать, чем земельные участки, так как расположение подземных помещений не зависит от рельефа местности.

В условиях горной местности целесообразно следующее: 1) проведение одиночных выработок большого сечения; 2) проведение параллельно расположенных выработок большого сечения с проведением вентиляционно-ходовых сбоек между ними; 3) строительство одно- и многокамерных подземных сооружений, доступ к которым осуществляется по горизонтальным (штольни, тоннели) и наклонным (стволы, съезды) выработкам (при этом места расположения камер относительно транспортных и вентиляционных выработок определяются с учетом горно-геологических, геомеханических и гидрогеологических свойств вмещающего массива); 4) строительство многоярусных подземных сооружений (в связи с высокой стоимостью и длительностью работ их следует возводить и осваивать поэтапно, получаемую прибыль использовать для дальнейшего строительства).

Владивостоку, особенно центральной его части, не хватает территорий для размещения хозяйственных построек, стоянок и парковки автотранспорта. При этом город расположен в горной местности, которая наиболее пригодна для подземного строительства, к тому же здесь есть значительные по объему подземные сооружения, которые практически не используются. Освоение подземного пространства одновременно решило бы целый ряд социальных, экологических и экономических вопросов (например, перенос вредных производств в подземные камеры предполагает использование высокоэффективных фильтров для очистки исходящей струи воздуха, локализацию возможных утечек вредных веществ, что в свою очередь будет способствовать снижению негативного воздействия на окружающую среду).

В горной местности строительство подземных сооружений ведется в нагорной части массива, что позволяет принимать наиболее простые и технологичные решения по их планировке. С учетом благоприятного для подземного строительства рельефа местности во Владивостоке наиболее рациональным представляется строительство подземных сооружений камерного типа с размещением различных производственных, хозяйственных и социально-культурных объектов. Доступ к технологическим камерам осуществляется по наклонным и горизонтальным выработкам, конструктивные параметры которых определяются расположением камер относительно земной поверхности, рельефом местности, видами и габаритами используемых в выработках транспортных средств и требованиями к проветриванию.

Подземные сооружения строятся в прочных, малотрещиноватых и малообвод-ненных породах, обеспечивающих максимальные пролеты технологических камер при минимальных затратах на их поддержание. Это требует отнесения технологических камер в глубь породного массива для обеспечения благоприятных условий эксплуатации подземного объекта. Следует также учитывать высоту нагорной части массива над подземным сооружением. Чем более пологими являются склоны рельефа, тем более протяженными должны быть горизонтальные выработки или значительнее глубина строительства подземных сооружений, увеличивается и длина наклонных выработок. На протяженность выработок влияет и плотность наземной застройки территории. В некоторых случаях транспортные выработки целесообразно проходить из подвалов жилых домов, как это сделано для подземного склада медицинского оборудования в Норвегии [7].

При строительстве на значительном расстоянии от порталов выработок и при обеспечении предохранительной толщи массива над ними не менее 40-50 м в подземном пространстве формируется собственный микроклимат. При этом температура воздуха в подземном сооружении в течение всего года остается практически постоянной. Несмотря на то что подземным объектам требуются круглосуточное освещение и подача свежего воздуха, отсутствие зависимости от внешних климатических условий снижает энергопотребление. Это особенно важно в условиях постоянного роста цен на энергоносители.

На выбор площади поперечного сечения транспортной выработки существенно влияют объем подземного сооружения и величина его грузооборота. В отличие от транспортных коммуникаций на земной поверхности, грузопотоки подземных сооружений нельзя наращивать путем простого увеличения числа единиц автотранспорта. Это связано с необходимостью обеспечения работающих двигателей свежим воздухом и ограничением скорости движения воздуха по выработкам. Поэтому уже на стадии проектирования подземного строительства следует учитывать возможность увеличения грузопотоков, особенно если предполагается поэтапное расширение подземного пространства путем создания дополнительных камер или строительства новых ярусов. Для транспортно-вентиляционных подземных сооружений следует предусматривать максимальное сечение (для проветривания) или, в случае реконструкции, строительство дополнительных вспомогательных выработок.

Опыт освоения подземного пространства показывает, что рациональная глубина расположения подземных сооружений социально-культурного назначения (жилых и офисных помещений) - 20-40 м. Для подземных складов, холодильников, промышленных производств суммарная протяженность выработок может составлять от нескольких десятков метров до нескольких километров. Объемы транспортных и вентиляционных выработок, запасных выходов в настоящее время достигают 20-35% общего объема подземного сооружения. Затраты на проведение и оснащение этих выработок, их обслуживание в период эксплуатации подземного пространства существенно влияют на экономическую эффективность подземных сооружений. Поэтапное строительство подземного объекта позволит уменьшить долю вспомогательных выработок в объеме подземного пространства и улучшит экономические условия его эксплуатации. Следует также учитывать значительно более низкую по сравнению с арендой земельных участков плату за пользование недрами, не связанное с добычей полезных ископаемых.

Подземные сооружения и здания на земной поверхности целесообразно объединять в единые архитектурные комплексы с учетом особенностей рельефа местности. Это позволит более рационально вести строительство жилых микрорайонов, транспортных и инженерных коммуникаций. Поэтому возведение крупных подземных сооружений многоцелевого назначения под существующими жилыми, административными и хозяйственными объектами на поверхности должно стать приоритетным направлением развития инфраструктуры Владивостока.

Подобные проекты уже есть. Например, проект реконструкции Набережной, что разработан в Архитектурном институте ДВГТУ. Набережная предназначается для пешеходов, а все машины от ул. Пограничной к гостинице «Экватор» будут ездить по подземному тоннелю глубиной около 9 м. Под кинотеатром «Океан» появится громадная двухъярусная автостоянка, а бывшую автомобильную дорогу мимо него замостят и отдадут пешеходам. По другим проектам, авторство которых принадлежит Архитектурному институту ДВГТУ и проектному институту ОАО «ДальвостНИИпроектуголь», предусмотрена реконструкция бывшей водонапорной башни (в районе железнодорожного вокзала). Саму башню, построенную

пленными японцами после Второй мировой войны, хотят преобразовать в кафе с четырьмя небольшими залами. Под башней появится небольшой ресторан с автономным освещением. Проектом реконструкции центральной площади и площади Луговой (институт « ДВ Примстройниипроект») все машины предусмотрено убрать на второстепенные трассы, а под площадью Борцов за власть Советов организовать большую автостоянку [6].

Большая часть имеющегося подземного пространства города в настоящее время пустует и постепенно приходит в негодность. Только использование существующих подземных сооружений в качестве социально-культурных или хозяйственных объектов позволит сохранить уникальный образ города для потомков. Но при разработке и реализации проектов реконструкции и нового подземного строительства всегда нужно иметь в виду, что облик памятников истории города, будь то Владивостокская крепость или наземные строения, не только не должен быть поврежден или изменен, но отреставрирован и сохранен для будущего.

Строительство новых подземных сооружений с отнесением технологических камер в глубь породного массива позволит осуществлять ведение работ без нарушения земной поверхности над объектом. В этом случае нужна только небольшая строительная площадка у портала подземной транспортной выработки.

Капитальные вложения в строительство подземных объектов зачастую оказываются сопоставимыми с затратами на возведение аналогичных объектов на земной поверхности. Опыт показывает, что в большинстве случаев увеличение стоимости строительства при подземном размещении объектов не превышает 20-30%, редко - 60%. При этом эксплуатационные затраты в несколько раз ниже [7, с. 170-178]. Сооружение камер в прочных породах позволит значительно уменьшить затраты на их крепление, а длительные сроки эксплуатации, небольшие (по сравнению с обслуживанием зданий на земной поверхности) плата за землю, затраты на капитальный и текущий ремонт, отсутствие затрат на отопление обеспечат их высокую рентабельность и конкурентоспособность. Кроме того, в случае переноса промышленных объектов под землю улучшится экологическая ситуация. А у города появятся дополнительные территории для создания парковых зон, строительства жилых домов и объектов социально-культурного назначения.

Владивосток находится в благоприятных для ведения активного подземного строительства природных условиях, и эту уникальную особенность необходимо использовать.

ЛИТЕРАТУРА

1. Голубев ГЕ. Использование подземного пространства в крупных городах. М.: ЦНТИП градостроительства, 1973. 50 с.

2. Голубев ГЕ. Москва подземная. Опыт и перспективы развития // Горн. вестн. 1997. № 4. С. 5-14.

3. Воронюк А.С. Рациональные схемы вскрытия мощных месторождений наклонными рудоподъемными выработками. М.: Наука, 1972. 202 с.

4. Каменецкий Б.П., Воловик В.П. Проектирование и строительство подземных складских помещений // Горн. журн. 1992. № 5. С. 32-33.

5. Лильестранд Б. Управляемое ЭВМ бурение при проходке центральной подземной осветлитель-ной установки в Хельсинки // Глюкауф. 1991. № 13/14. С. 40-41.

6. Майорова М. Владивосток начнет уходить под землю в 2010 году // КП-Дальний Восток. 2005. 28 июля.

7. Папернов М.М., Зильберборд А.Ф. Производственные и складские объекты в горных выработках. 2-е изд. М.: Стройиздат, 1984. 184 с.

8. Умнов В.А. Экономическое обоснование рационального использования подземного пространства: автореф. дис. ... д-ра экон. наук. М.: МГУ, 2000. 35 с.

9. Mining Engineering of Finland. L., 1990. 190 p.