Главная » Литература » Основания, фундаменты, подземные сооружения » Тетиор - Проектирование и строительство подземных зданий и сооружений
Тетиор - Проектирование и строительство подземных зданий и сооружений
ВВЕДЕНИЕ
Сохранение земельного фонда планеты сегодня — одна из важнейших задач человечества. В СССР, где земля является всенародным достоянием, сохранность природной среды, рациональное использование земель и сельскохозяйственных угодий, охрана недр отнесены к важнейшим направлениям экономического и социального развития на 1986—1990 годы и на период до 2000 года, принят ряд специальных законов, регулирующих ее использование для сельского хозяйства и промышленности.
Использование недр для строительства зданий и сооружений различного назначения — один из эффективных способов сохранения поверхности земли. Пригодны для этой цели специально разработанные полости, горные выработки, образовавшиеся после добычи полезных ископаемых, и естественные подземные пещеры.. Подземное пространство издавна привлекало внимание строителей как место размещения разнообразных объектов с временным или длительным пребыванием людей. Вначале его использовали для добычи полезных ископаемых, устраивали укрытия для защиты людей и ценностей от внешних воздействий, сооружали помещения для хранения продуктов, используя постоянство температуры под землей.
Характерными примерами подземного строительства прошлого являются древние города: Каппадокия (Турция), расположенный на восьми подземных этажах, рассчитанных на 50 тысяч человек; Чуфут-Кале и Мангуп-Кале (Крым, СССР); подземные храмы в Индии и др. Обычно древние подземные города устраивали, в прочных сухих грунтах, не требующих какого-либо укрепления после создания выработок.
Много лет подземное пространство использовали сравнительно редко; в подземных выработках после добычи полезных ископаемых, обычно не размещали какие-либо объекты, кроме складов. В современном строительстве на первый план выдвинулись сложные и противоречивые проблемы, которые сделали актуальным рациональное использование подземного пространства:
необходимость нового строительства в условиях исключительного дефицита незастроенных территорий;
сохранение окружающей природной среды, создание биопозитивных сооружений (сооружения делят на бионегативные — наносящие вред природе, бионейтральные и биопозитивные — помогающие в той или иной мере сохранению и развитию природы);
экономия энергии при эксплуатации зданий и сооружений;
необходимость реконструкции исторических центров с возведением новых зданий и устройством современных коммуникаций;
использование неудобных для наземной застройки территорий;
необходимость размещения прецизионных производств, требующих отсутствия вибраций, колебания температуры;
обеспечение защиты населения в особый период.
В СССР и во многих зарубежных странах специалисты предлагают размещать здания под землей при мелком или глубоком заложении. Для этого, с одной стороны, специально разрабатывают котлованы или делают выработки, с другой, используют имеющиеся горные выработки. Подземное строительство жилых, общественных и производственных зданий в последние годы получило большое распространение, а постоянное появление новых патентов и авторских свидетельств на конструкции и способы сооружения подземных зданий позволяет судить о перспективности этого направления.
В настоящее время возведены подземные и полуподземные здания и сооружения самого различного назначения — от производственных цехов до общественных центров, от спортивных залов до жилых зданий. Опыт строительства и эксплуатации подземных объектов подтвердил многочисленные положительные аспекты освоения подземного пространства, возможность успешной и экономичной эксплуатации зданий под землей. Интересные объекты возведены в США, Франции, Англии, ряде других стран.
Так, в Италии предложено размещение на глубине
В нашей стране накоплен большой опыт исследований, проектирования, строительства и эксплуатации подземных зданий и сооружений, в первую очередь — транспортных (автомагистрали, автостоянки, гаражи, пешеходные и транспортные тоннели), гидротехнических сооружений (водоводы, тоннели, машинные залы ГЭС и ГАЭС, подземные комплексы ГЭС), а также хранилищ и складов. Начаты работы по проектированию и строительству отдельных общественных зданий (кинотеатров, общественных центров). Выполнены первые типовые проекты подземных кинотеатров, общественных центров. Однако простое сопоставление технико-экономических показателей проектов зданий при наземном и подземном расположении без учета стоимости земли и затрат при эксплуатации не всегда свидетельствует об экономичности подземных зданий. Более точна оценка экономичности подземных зданий с учетом многочисленных дополнительных факторов — экономии земли, затрат на инженерное благоустройство и других расходов. Комплекс градостроительной оценки территории (КГОТ) позволяет обоснованно определить экономичность подземного размещения зданий, что наиболее актуально для районов с высокой стоимостью земли (территории крупных городов, районы высокоценного и высокопродуктивного сельского хозяйства, курортные районы). Авторами сделана попытка создания такой книги, в которой были бы описаны конструкции и способы возведения жилых, общественных и производственных зданий.
1. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ПОДЗЕМНОГО СТРОИТЕЛЬСТВА
1.1. РЕГЛАМЕНТАЦИЯ ОСНОВНЫХ ПОЛОЖЕНИЙ ПО ИСПОЛЬЗОВАНИЮ НЕДР ДЛЯ РАЗМЕЩЕНИЯ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЯ
Госстроем СССР с участием Госплана СССР, Госгортехнадзора СССР, ряда министерств и ведомств на основе законодательства Союза ССР и союзных республик о недрах [16, 19] разработано положение об использовании недр для размещения объектов народного хозяйства, не связанных с добычей полезных ископаемых. Согласно этому положению для проектируемых в недрах зданий и сооружений (объекты промышленного, транспортного, энергетического строительства и другие) следует использовать горные выработки, образовавшиеся при добыче полезных ископаемых и при ведении других горных работ, а также специально пройденные горные выработки и естественно получившиеся подземные полости (пещеры).
Подземные сооружения рекомендуется возводить в первую очередь на территориях с ограниченной площадью свободных земельных участков, пригодных для застройки, а также в районах с особо ценными сельхозугодиями или с тяжелыми условиями для наземного строительства (сложный рельеф местности и другие). В отработанных участках горных выработок законсервированных или действующих предприятий по добыче полезных ископаемых следует предусматривать производственные здания в составе подземных промышленных узлов.
Государственный надзор при производстве работ и эксплуатации объектов, размещаемых в недрах, осуществляют гостехнадзор СССР, Минздрав СССР, ГУПО МВД СССР (последнее — только в части пожарного надзора). Условия труда обеспечиваются в соответствии с правилами безопасности, утвержденными Госгортехнадзором, правилами и нормами санитарии, утвержденными Минздравом СССР. Ведомственный надзор проводят соответствующие службы министерств и ведомств. Горнотехническая служба осуществляет контроль за состоянием кровли пород, поддержанием ее, проведением профилактических и ремонтных работ, маркшейдерское и геологическое обеспечение строительства, межведомственная территориальная горнотехническая служба обслуживает подземные объекты, входящие в промышленный подземный узел.
Госгортехнадзор устанавливает порядок обслуживания подземных зданий военизированными горноспасательными частями |ВГСЧ) или создаваемыми на подземных объектах вспомогательными горноспасательными командами (ВГК).Определен порядок учета горных выработок и участков недр, в которых можно разместить подземные объекты. Первичный учет должны вести министерства и ведомства, в ведении которых есть предприятия по добыче полезных ископаемых, и министерства геологии — в части естественных подземных полостей и бесхозных выработок. Всесоюзный учет проводит Госстрой СССР при участии Госгортехнадзора. Признанные подходящими для размещения подземных объектов выработки и полости министерства обязаны законсервировать до передачи заинтересованным организациям для строительства. Консервация заключается в проведении мероприятий, обеспечивающих длительную сохранность в состоянии, пригодном 'для последующего использования и безопасного доступа людей при проведении изысканий и горностроительных работ. Ее проводят в установленном Госстроем СССР по согласованию с Госгортехнадзором порядке предприятия и организации, в ведении которых находятся подземные выработки и полости. Окончательное решение о возможности размещения объектов в недрах принимает Госстрой СССР, при этом предоставление подземного пространства в пользование оформляется горноотводным актом, который выдает Госгортехнадзор СССР. Остаточную стоимость основных фондов (стволы, выработки, специализированные здания на поверхности и другие сооружения) списывают. Также может быть списана и остаточная часть запасов полезных ископаемых.
Разработку проектов подземных объектов выполняют проектные организации (при обязательном участии специализированной проектной организации горного профиля) после проведения тщательных геодезических, инженерно-геологических и гидрогеологических изысканий. Ввиду особой ответственности подземных объектов все проекты (независимо от сметной стоимости) проходят экспертизу в Госстрое СССР.
1.2. КЛАССИФИКАЦИЯ ПОДЗЕМНЫХ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЯ
Современные подземные здания можно классифицировать по назначению, глубине заложения, условиям размещения, конструктивным решениям, освещению.
По назначению различают: жилые дома; производственные объекты, особенно требующие защиты от вибрации, пыли, переменных температур; складские помещения — холодильники, овоще- и книгохранилища, резервуары, архивы; зрелищные, спортивные объекты — кинотеатры, выставочные залы, музеи, клубы, спортзалы, тиры, плавательные бассейны, общественные центры; административные здания и центры; объекты коммунально-бытового обслуживания — мастерские, бани, прачечные, почты, сберкассы, ателье, комбинаты бытового обслуживания, торгово-бытовые центры; транспортные объекты — станции и тоннели подземного транспорта, вокзалы, гаражи, стоянки, транспортные центры; объекты торговли и общественного питания — столовые, рестораны, магазины, рынки, торговые центры; учебно-воспитательные сооружения — детские сады, школы, училища, вузы, учебные центры.
Здания проектируют с освещением: боковым, естественным, устраиваемым через окна с приямками, внутренние дворики и другие; с верхним зенитным через проемы или фонари в кровле; с комбинированным естественным, иногда в сочетании со световодами и рассеивателями; с полностью искусственным (рис. 1.1).
По глубине заложения подземные здания и сооружения делят на полузаглубленные (обвалованные), мелкого (обычно не ниже
Основные типы подземных обвалованных, мелкого и глубокого заложения зданий размещают на территории с крутыми уклонами, со спокойным рельефом местности, на свободных или застроенных участках, отдельно стоящими или являющимися подземной частью всего объекта. По условиям расположения подземные здания проектируют отдельно расположенными над незастроенными и под застроенными участками, а также входящими в состав наземных зданий; по конструктивным решениям — каркасными и бескаркасными, одно- и многоэтажными, одно- и многопролетными. В качестве материала конструкций чаще всего применяют железобетон и бетон, частично используют прочный грунт.
Жилые дома возводят только при условии естественного освещения, общественные и производственные здания могут освещаться искусственным светом с дополнением естественного. Очень важно для подземных зданий создать у людей ощущение, что сооружение расположено выше уровня земли. Это достигается устройством: бокового одностороннего и верхнего естественного освещения в полузаглубленных зданиях; естественного освещения через световоды в сооружениях мелкого и глубокого заложения; яркого искусственного освещения в сочетании со светлой окраской помещений; криволинейных покрытий и перекрытий в форме оболочек со значительной подъёмностью; фальшивых оконных проемов с размещением за ними ярких фотопейзажей (с развитием техники голографии — голографических картин).
1.3. ВЛИЯНИЕ ВИДА И СОСТОЯНИЯ ГРУНТА НА КОНСТРУКТИВНЫЕ РЕШЕНИЯ
При проектировании и строительстве подземных зданий и сооружений необходимы исходные данные: сведения о рельефе местности, существующих надземных и подземных сооружениях и коммуникациях, климатических условиях, результаты инженерно-геологических изысканий [13].
Инженерно-геодезические изыскания и геодезическо-маркшейдерские работы, обеспечивающие вынос проекта здания (сооружения) в натуру и постоянный контроль за его расположением в подземном пространстве и точностью размеров, выполняют на всех этапах проектирования и строительства [13, 23]. Особое внимание должно быть уделено определению прогнозирования взаимодействия подземного здания с окружающим грунтом, возможности изменения во времени состояния грунта, влияния на подземное сооружение дополнительных воздействий, а именно статических и динамических нагрузок вследствие проходки выработок, вскрытия котлованов, изменения уровня и степени агрессивности грунтовых вод, уплотнения или разуплотнения грунта, проникновения газов и т. д.
Исходные данные по объекту подготавливают на основе материалов геодезических изысканий. Инженерные изыскания определяют: условия залегания и физико-механические свойства грунтов; режим и физико-химические свойства грунтовых вод; данные о возможности проявления физико-геологических и инженерно-геологических процессов (оползни, землетрясения, просадочность, тектонические нарушения, возможность изменения уровня и состава грунтовых вод и др.); режим и свойства подземных газов.
По материалам инженерно-геодезических изысканий и геодезическо-маркшейдерских работ проводится:
топографическая съемка района строительства;
плановая и высотная геодезические основы;
вынос осей сооружения в натуру;
ориентирование сооружения относительно наземной основы;
подземная геодезическая основа и разбивка конструктивных элементов в плане и по высоте;
контроль в процессе строительства за положением опорных пунктов основы и разбивочных осей сооружения, за положением элементов сооружения в соответствии с проектом, за объемом земляных работ и расходом строительных материалов.
Грунтовые условия во многом определяют выбор места расположения подземного здания, способ производства работ, конструктивную схему. Наилучшие — это структурно-устойчивые неводоносные грунты, залегающие слоем большой мощности, в пределах которого можно разместить здание. Однако при правильном выборе способа производства работ и конструктивных решений подземное здание может быть сооружено в любых грунтовых условиях (табл. 1.1).
При глубоком заложении зданий (следовательно, в более прочных грунтах и при высоком значении горного давления) используют пространственные конструкции покрытий, стен и фундаментов, применяют также цельную пространственную систему — сферическую, цилиндрическую, овоидальную оболочки.
При мелком заложении на базе соответствующего технико-экономического обоснования применяют и пространственные, и плоские конструкции. Для обвалованных зданий нагрузки от давления грунта таковы, что они вполне могут быть восприняты плоскими конструкциями. Однако из архитектурных соображений в покрытиях и стенах жилых полузаглубленных зданий применяют различные типы пространственных конструкций, в частности — арки, оболочки сложной формы.
1.4. ЗАЩИТА ОТ ВНЕШНИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ
1.4.1. Гидроизоляция. С целью исключения фильтрации грунтовых вод в подземное здание, защиты конструкций от действия агрессивных грунтовых вод устраивают гидроизоляцию. По конструкции ее подразделяют на окрасочную (в виде лаков и красок), обмазочную (в виде мастик, жидких герметиков, наносимых в холодном или горячем виде), оклеечную или заанкеренную (пленочную, листовую) и набрызговую (бентонитовую и др.). Наиболее эффективны многослойная обмазочная и листовая гидроизоляции. К конструкции гидроизоляции предъявляются требования:
долговечности при контакте с грунтом и грунтовыми водами;
устойчивости к неравномерным деформациям зданий, к деформациям и образованию трещин в окружающем здание грунте;
простоты выполнения (адгезия к материалу здания, пригодность при любых углах наклона изолируемой поверхности, возможность изгиба в углах, незначительное изменение свойств при колебаниях температур, невысокие требования к чистоте изолируемой поверхности).
При строительстве подземного здания открытым, опускным способом или способом подращивания рекомендуется сплошная наружная гидроизоляция по контуру здания (рис. 1.2), а для конструкций, сооружаемых способом «стена в грунте»,— внутренняя гидроизоляция стен и днища в сочетании с наружной изоляцией покрытия.
Чаще всего в качестве оклеечной гидроизоляции используют гидроизол в два-три слоя на водостойкой битумной мастике. Для защиты от повреждений при обратной засыпке котлована на гидроизоляцию наносят слой торкретбетона или выкладывают стенку из кирпича; на покрытии поверх изоляции наносят слой бетона толщиной 10...15 см, армированного сеткой 15 X
Термопластичные материалы не только позволяют повысить водонепроницаемость, но и допускают некоторые неравномерные деформации конструкций без утраты изолирующих свойств. В грунтах естественной влажности используют окрасочную гидроизоляцию в виде покрытий из лаков, красок, а также — обмазочную, состоящую из битумных, асфальтовых и эпоксидно-фурановых мастик толщиной 2...3 мм. При наличии грунтовых вод предусматривают внутреннюю и наружную гидроизоляцию из ребристого листового полиэтилена толщиной 1....3 мм с анкерующими ребрами для заделки в железобетон; в случае гидростатического давления (при технико-экономическом обосновании эффективности) металлоизоляцию из стальных листов толщиной 6...8 мм, заанкеренных в бетон при помощи коротышей из арматуры.
Для больших подземных зданий и сооружений необходима герметизация деформационных швов. С этой целью швы заполняют битумно-минеральной массой, а внутри помещения в шов укладывают канат, пропитанный битумом. Снаружи здания изоляцию заводят в шов в виде петли. Закрывают шов и компенсатором.
При сооружении зданий, возводимых в скальных грунтах закрытым способом, монолитную или сборную обделку защищают сплошной наружной гидроизоляцией, укладываемой обычно до устройства обделки; в слабых грунтах выполняют внутреннюю гидроизоляцию.
Для устройства наружной гидроизоляции поверхность выработки покрывают (выравнивают) торкретбетоном толщиной 50...
Необходимо герметизировать швы сборных конструкций (см. рис. 1.2). В обделке из чугунных тюбингов их уплотняют чеканкой свинцовой проволокой диаметром 9...
Швы сборных железобетонных обделок зачеканивают водонепроницаемым расширяющимся цементом ВРЦ, устраивают уплотняющие прокладки из неопрена, бутил-каучука, применяют аэрированный раствор, наносимый механизированным способом.
С целью удаления поверхностных и постоянных грунтовых вод, снижения их давления на здание устраивают дренаж. Для зданий полузаглубленных или мелкого заложения дренаж — обсыпка здания сверху и с боков дренирующим грунтом и устройство отводных труб в уровне низа здания (см. рис. 1.2), для сооружений глубокого заложения используют дренирование (отвод) вод внутрь -здания и удаление их на поверхность насосами. Эффективный и менее трудоемкий способ дренажа — обкладка здания мешками из водопропускающего материала, заполненными дренирующим грунтом. В этом случае резко повышается производительность труда, отпадает необходимость в выполнении защитной стенки поверх гидроизоляции.
1.4.2. Теплоизоляция. Температура вмещающего грунта для зданий, строящихся в районах с отопительным периодом, обычно ниже требующейся для создания необходимых комфортных условий. Устройство теплоизоляции поверхности подземных зданий позволяет сократить расход энергии на отопление.
К устройству теплоизоляции предъявляются требования повышения температуры внутри помещения по сравнению с температурой окружающего грунта; при этом в верхней части полузаглубленных объектов или зданий неглубокого заложения, где температура ниже, предусматривают более толстую изоляцию.
Устройство теплоизоляции нежелательно в тех редких случаях, когда требуется теплопередача из здания в грунт с целью снижения расхода энергии на кондиционирование. Проектируют следующие конструкции (см. рис. 1.2): сплошная теплоизоляция всего здания с увеличением ее толщины в верхней части здания, а также в виде теплозащитного экрана над зданием. В последнем случае облегчается поступление теплоты из здания в грунт и одновременно здание защищено от проникновения холода с поверхности грунта.
В качестве материалов для внутренней теплоизоляции применяют стекловату с деревянной обшивкой, а для наружной, располагаемой под слоем гидроизоляции,— прессованный пенополистирол, вспененный пенополистирол, пенополиуретан (табл. 1,2).
Поскольку под воздействием влаги свойства теплоизоляции изменяются, необходимо укладывать ее на слой пароизоляции, а сверху защищать надежной гидроизоляцией. Так как при обратной засыпке возможно действие значительных сил трения грунта по поверхности изоляции и ее деформации, надо тщательно послойно уплотнять грунт.
1.4.3. Изоляция от проникновения газов, температурно-влажностный режим. Для людей, временно находящихся в подземных зданиях, важно, чтобы воздух в помещениях был чистым. В связи с этим при проектировании особое внимание необходимо уделять изоляции от радона — газа, образующегося при распаде радия, который в очень незначительных количествах имеется в природных строительных материалах и в грунте.
Учитывая, что радон движется снизу вверх, в атмосферу, конструкцию здания лучше выполнять обтекаемой снизу, выпуклой в сторону грунта, чтобы не создавать препятствий движению газа. Хороший наружный дренаж, помимо выполнения своих основных функций, может облегчить движение радона вверх. Меры борьбы с проникновением радона во многом схожи с общими мероприятиями по предотвращению загрязнения воздуха. Эффективные способы поддержания чистоты воздуха в подземных зданиях устройство приточно-вытяжной вентиляции G оптимальной для жилых здании кратностью обмена, равной 0,5 ч, т. е. полный обмен воздуха в течение 2 ч; использование рациональных конструктивных и организационно-технологических решений: обтекаемая снизу конструкция здания; устройство дренажа и герметичной наружной изоляции; применение в конструкциях или в отделке материалов, не содержащих радона (древесина, пластмассы) и не выделяющих формальдегидов, а также устройств, ограничивающих поступление пара в воздух при пользовании санитарно-техническими устройствами, приготовлении пищи, утилизаторов теплоты в виде тепловых насосов, теплообменников, в том числе встроенных в панели стен; запрещение курения; запрещение или ограничение применения растворителей, лаков, аэрозолей, неэлектрических источников энергии, выделяющих продукты сгорания.
Особенностью организации проектирования является специфичность процесса формирования тепловлажностных условий подземного помещения после его возведения: через короткий промежуток времени температура воздуха становится близкой к естественной температуре вмещающего грунта. Так, при глубине 20...
Проектируют системы: продольную (по длине сооружения воздух подается и удаляется вентиляционными установками без устройства специальных каналов), продольно-струйную (с созданием вторичного потока воздуха), поперечную (воздух подается и удаляется по специальным каналам за пределами габаритов подземного здания), полупоперечную (свежий воздух подается по каналам, а загрязненный удаляют непосредственно из помещения), смешанные. В многоэтажных (многоярусных) зданиях на каждом этаже устраивают приточную и вытяжную вентиляции. Распределение воздушных масс предусматривают таким образом, чтобы давление воздуха в служебных помещениях превышало давление в местах проездов.
Для удаления пыли применяют электростатические пылеуловители, загрязнений из воздуха - фильтры, сорбенты. С целью экономии энергии при воздухообмене используют теплоутилизаторы: из воздуха, удаляемого из помещений, отбирается теплота и передается встречному свежему. Вентиляционные установки можно размещать в специальных подземных камерах (при большой мощности) или непосредственно в зданиях. Воздухозабор осуществляют для небольших зданий — через дефлектор на обвалованной кровле, а для больших зданий и сооружений, в том числе глубокого заложения — через вентиляционные воздухозаборные киоски. Чаще всего вентиляционные киоски размещают в скверах, парках, устраивая специальный горизонтальный тоннель, на расстоянии не меньше