Сооружения подземные правила проектирования. Проектирование технологии строительства подземных сооружений
ВВЕДЕНИЕ
Сохранение земельного фонда планеты сегодня — одна изважнейших задач человечества. В СССР, где земля являетсявсенародным достоянием, сохранность природной среды, рациональное использование земель и сельскохозяйственных угодий, охрана недр отнесены к важнейшим направлениям экономического исоциального 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 способовсохранения поверхности земли. Пригодны для этой цели специальноразработанные полости, горные выработки, образовавшиеся последобычи 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 длязащиты людей и ценностей от внешних воздействий, сооружали помещения для хранения продуктов, используя постоянствотемпературы 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, впрочных 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 сделалиактуальным рациональное использование подземного пространства:
необходимость нового строительства в условияхисключительного дефицита незастроенных территорий;
сохранение окружающей природной среды, созданиебиопозитивных 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 свозведением 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 специалистыпредлагают размещать здания под землей при мелком или глубокомзаложении. 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 получилобольшое распространение, а постоянное появление новых патентов и авторских свидетельств на конструкции и способы сооруженияподземных зданий позволяет судить о перспективности этогонаправления.
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 аспектыосвоения подземного пространства, возможность успешной иэкономичной эксплуатации зданий под землей. Интересные объектывозведены в США, Франции, Англии, ряде других стран.
Так, в Италии предложено размещение на глубине 150 м атомной и тепловой электростанций. Для решения подземного размещения комплексов зданий и сооружений в Милане создан комитет подземного города. Наряду с подземным предполагаетсяосваивать и подводное пространство на небольших глубинах (в зоне шельфа). В штате Флорида, например, в бывшей подводнойлаборатории на глубине 10 м построен отель. Свидетельствоповышенного интереса к размещению зданий под землей — выпуск в США специального журнала, посвященного этой проблеме. Опубликован ряд монографий, освещающих архитектурно-планировочныевопросы, расчеты конструкций, технологии производства,гидроизоляции, вентиляции воздуха в подземных зданиях и др.
В нашей стране накоплен большой опыт исследований,проектирования, строительства и эксплуатации подземных зданий исооружений, 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 сопоставлениетехнико-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) позволяетобоснованно определить экономичность подземного размещения зданий, что наиболее актуально для районов с высокой стоимостью земли (территории крупных городов, районы высокоценного ивысокопродуктивного 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 разработано положение об использовании недр для размещения объектовнародного 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 горныевыработки, 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 первуюочередь 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). Вотработанных участках горных выработок законсервированных или действующих предприятий по добыче полезных ископаемыхследует предусматривать производственные здания в составеподземных промышленных узлов.
Государственный надзор при производстве работ иэксплуатации 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 службаосуществляет 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 обслуживанияподземных зданий военизированными горноспасательными частями |ВГСЧ) или создаваемыми на подземных объектахвспомогательными 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 размещенияподземных объектов выработки и полости министерства обязанызаконсервировать 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. Еепроводят 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 предоставлениеподземного пространства в пользование оформляется горноотводным актом, который выдает Госгортехнадзор СССР. Остаточнуюстоимость основных фондов (стволы, выработки, специализированные здания на поверхности и другие сооружения) списывают. Такжеможет быть списана и остаточная часть запасов полезных ископаемых.
Разработку проектов подземных объектов выполняют проектные организации (при обязательном участии специализированнойпроектной организации горного профиля) после проведениятщательных геодезических, инженерно-геологических игидрогеологических изысканий. Ввиду особой ответственности подземных объектов все проекты (независимо от сметной стоимости) проходятэкспертизу 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 отвибрации, 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 подземноготранспорта, 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 идругие; 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 10 м от дневной поверхности грунта) и глубокого заложения (как правило, глубже Юм). В полузаглубленных зданиях крышарасположена не ниже дневной поверхности грунта; основныенагрузки — боковое давление грунта и вес засыпки на кровле. Чембольше глубина заложения, тем большую роль играет давление грунта, от которого зависят типы конструкций и размеры пролетов.
Основные типы подземных обвалованных, мелкого и глубокого заложения зданий размещают на территории с крутымиуклонами, со спокойным рельефом местности, на свободных илизастроенных участках, отдельно стоящими или являющимися подземной частью всего объекта. По условиям расположения подземные здания проектируют отдельно расположенными над незастроенными и подзастроенными 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 естественногоосвещения, 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 сооруженияхмелкого и глубокого заложения; яркого искусственного освещения в сочетании со светлойокраской 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 исооружений необходимы исходные данные: сведения о рельефеместности, существующих надземных и подземных сооружениях икоммуникациях, климатических условиях, результаты инженерно-геологических изысканий .
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 . Особое внимание должно быть уделено определению прогнозирования взаимодействияподземного здания с окружающим грунтом, возможности изменения во времени состояния грунта, влияния на подземное сооружение дополнительных воздействий, а именно статических идинамических нагрузок вследствие проходки выработок, вскрытиякотлованов, изменения уровня и степени агрессивности грунтовых вод, уплотнения или разуплотнения грунта, проникновения газов и т. д.
Исходные данные по объекту подготавливают на основематериалов 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 иинженерно-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 местарасположения подземного здания, способ производства работ,конструктивную схему. Наилучшие — это структурно-устойчивыеневодоносные грунты, залегающие слоем большой мощности, в пределах которого можно разместить здание. Однако при правильномвыборе способа производства работ и конструктивных решенийподземное здание может быть сооружено в любых грунтовых условиях (табл. 1.1).
При глубоком заложении зданий (следовательно, в болеепрочных грунтах и при высоком значении горного давления)используют пространственные конструкции покрытий, стен ифундаментов, применяют также цельную пространственную систему —сферическую, цилиндрическую, овоидальную оболочки.
При мелком заложении на базе соответствующеготехнико-экономического обоснования применяют и пространственные, иплоские конструкции. Для обвалованных зданий нагрузки от давления грунта таковы, что они вполне могут быть восприняты плоскими конструкциями. Однако из архитектурных соображений впокрытиях и стенах жилых полузаглубленных зданий применяютразличные типы пространственных конструкций, в частности — арки, оболочки сложной формы.
1.4. ЗАЩИТА ОТ ВНЕШНИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ
1.4.1. Гидроизоляция. С целью исключения фильтрациигрунтовых вод в подземное здание, защиты конструкций от действия агрессивных грунтовых вод устраивают гидроизоляцию. Поконструкции 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, кдеформациям 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 чистотеизолируемой поверхности).
При строительстве подземного здания открытым, опускнымспособом или способом подращивания рекомендуется сплошнаянаружная гидроизоляция по контуру здания (рис. 1.2), а для конструкций, сооружаемых способом «стена в грунте»,— внутренняягидроизоляция 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 бетонатолщиной 10...15 см, армированного сеткой 15 X 15 см диаметром 5 мм. Стойки к агрессивным воздействиям, к действию низких ивысоких температур синтетические листовые и пленочные материалы» например, из поливинилхлорида, наклеиваемые на конструкцию с помощью битумно-полимерной мастики, при этом листысваривают горячим воздухом или склеивают растворителем. Получили распространение термопластичные ковровые изоляционныематериалы, представляющие собой армирующую основу из-стеклоткани или фольги, покрытую с двух сторон слоем полимербитума или битума толщиной 1,5...2 мм, имеющего высокую температуру плавления. Успешно применяют термопластичную изоляцию,состоящую из расплавленного битума, армированного стеклотканью, и наносимого на поверхность железобетона форсунками.
Термопластичные материалы не только позволяют повыситьводонепроницаемость, но и допускают некоторые неравномерныедеформации 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 случаегидростатического давления (при технико-экономическом обоснованииэффективности) металлоизоляцию из стальных листов толщиной 6...8 мм, заанкеренных в бетон при помощи коротышей из арматуры.
Для больших подземных зданий и сооружений необходимагерметизация деформационных швов. С этой целью швы заполняют битумно-минеральной массой, а внутри помещения в шовукладывают канат, пропитанный битумом. Снаружи здания изоляцию заводят в шов в виде петли. Закрывают шов и компенсатором.
При сооружении зданий, возводимых в скальных грунтахзакрытым способом, монолитную или сборную обделку защищают сплошной наружной гидроизоляцией, укладываемой обычно до устройства обделки; в слабых грунтах выполняют внутреннюю гидроизоляцию.
Для устройства наружной гидроизоляции поверхностьвыработки покрывают (выравнивают) торкретбетоном толщиной 50... 70 мм, по нему наклеивают изоляцию, затем бетонируют обделку, а в пространство между изоляцией и обделкой нагнетают цементный раствор. При устройстве внутренней гидроизоляции необходимо учитывать, что ее конструкция зависит от напора подземных вод, а материал обделки не защищен от их агрессивного действия. При напоре менее 0,1 МПа выполняют водонепроницаемуюштукатурку толщиной 30...40 мм с нанесением ее торкретом, при напоре 0,1 МПа и более оклеечную изоляцию из рулонных материалов поддерживает железобетонная обойма толщиной до 20 см. Обойма должна выдерживать действие гидростатического давлениягрунтовых вод. При использовании заанкеренной в обделку металлоизоляции обойму не выполняют.
Необходимо герметизировать швы сборных конструкций (см. рис. 1.2). В обделке из чугунных тюбингов их уплотняют чеканкой свинцовой проволокой диаметром 9... 12 мм или свинцовой трубкой наружным диаметром 11...13 мм, заполненной асбестовыми битуминизированными нитями. Болтовые соединения швов герметизируют шайбами с тугоплавким асбестобитумным наполнителем илиполиэтиленовыми.
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 устройствоотводных 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 длязданий, строящихся в районах с отопительным периодом, обычно ниже требующейся для создания необходимых комфортных условий. Устройство теплоизоляции поверхности подземных зданийпозволяет сократить расход энергии на отопление.
К устройству теплоизоляции предъявляются требованияповышения температуры внутри помещения по сравнению стемпературой окружающего грунта; при этом в верхней частиполузаглубленных объектов или зданий неглубокого заложения, гдетемпература 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 общимимероприятиями по предотвращению загрязнения воздуха. Эффективные способы поддержания чистоты воздуха вподземных 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 иорганизационно-технологических решений: обтекаемая снизу конструкцияздания; 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 являетсяспецифичность процесса формирования тепловлажностных условий подземного помещения после его возведения: через короткий промежуток времени температура воздуха становится близкой кестественной температуре вмещающего грунта. Так, при глубине 20... 200 м, где обычно расположены подземные здания, температура вмещающего грунта составляет от 5...8 до 10... 16 °С, а в южных районах—до 15...20. Для обеспечения необходимой температуры и относительной влажности воздуха применяют различные технические средства: вентиляцию, подогрев воздуха, рециркуляцию, охлаждение, осушение. Если в помещении требуется низкая относительная влажность воздуха (60...70 %), то при естественнойтемпературе включают холодильные установки. При значительных влаговыделениях проектируют осушительные установки, работающие на силикагеле и активированном алюминии. В отдельных случаях для увлажнения воздуха целесообразны парогенераторы или тонкое распыление. Для обеспечения нужной температуры и состава воздуха используют подогрев и проветривание . Системы вентиляции зависят от размеров подземного здания, его назначения, времени пребывания людей . Как правило, в заглубленных и даже в полузаглубленных сооруженияхустраивают принудительную вентиляцию, так как естественная не позволяет обеспечить нужную кратность воздухообмена, равную для жилых помещений 0,5. Обычно выполняют приточно-вытяжную вентиляцию с подачей свежего и удалением загрязненного воздуха.
Проектируют системы: продольную (по длине сооружения воздух подается и удаляется вентиляционными установками без устройства специальных каналов), продольно-струйную (с созданиемвторичного потока воздуха), поперечную (воздух подается и удаляется по специальным каналам за пределами габаритов подземного здания), полупоперечную (свежий воздух подается по каналам, азагрязненный удаляют непосредственно из помещения), смешанные. Вмногоэтажных (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 — черезвентиляционные воздухозаборные киоски. Чаще всего вентиляционные киоски размещают в скверах, парках, устраивая специальныйгоризонтальный тоннель, на расстоянии не меньше 50 м отавтомагистралей, при этом приточные жалюзи должны быть, расположены на высоте не менее 2 м от поверхности земли (см. рис. 1.2). Для нагнетания и вытяжки воздуха устанавливают центробежные или осевые вентиляторы низкого (до 1 кПа), среднего (до 3 кПа) ивысокого (более 3 кПа) давления, одно- и двухступенчатые.
...Наша компания разрабатывает проектную или рабочую документации на строительство подземных зданий и сооружений, таких как:
- Подземные части гражданских или промышленных зданий (подвалы и цокольные этажи, парковочные комплексы и технические уровни, и др.);
- Транспортные линейные объекты (переходы, проезды и пр.);
- Гидротехнические сооружения;
- Сооружения инженерной инфраструктуры (сети, коллекторы, трубопроводы и пр.);
Большое заглубление и небольшое давление под фундаментом подземного сооружения является главной особенностью таких сооружений. Давление под подошвой фундамента подземного сооружения, зачастую, бывает ниже давления от собственного веса грунта извлекаемого при отрывке котлована.
К другой особенности сооружений такого типа является, то что, в большинстве случае они располагаются ниже уровня подземных вод. Эта особенность является серьезным условием для проектирования и устройства подземного сооружения. К примеру, в силу небольшого веса и расположения ниже уровня грунтовых вод, в некоторых случаях, приходится дополнительно закреплять сооружение в грунтовом массиве от всплытия, что обеспечивается, к примеру, устройством грунтовых анкеров или свай.
В современной строительной практике существуют различные типы подземных сооружений, такие как сооружения мелкого заложения (до 15м глубиной), глубокого заложения (более 15м), линейные подземные сооружения, сооружения точечной застройки. Подземные сооружения могут сооружаться открытым способом в котлованах, или закрытым способом (технология "сверху-вниз"). Практикуется строительство подземных сооружений в естественных, пониженных рельефах, с засыпкой пазух низкого рельефа;
Подземные сооружения классифицирую по категориям, которые устанавливают в зависимости от уровня сложности сооружения, а также от сложности инженерно-геологических условий. Что интересно, категория сооружения должна быть “назначена” до начала проектирования и проведения изыскательских работ, так как от этого зависит состав и объем этих работ.
Наиболее сложная 3-я категория. Для этой категории требуются особо качественные инженерно-геологические изыскания, включающие подробные исследования грунтов и нестандартные полевые испытания. Также для проектирования 3й категории могут потребоваться нестандартные методы расчетов с применением особых моделей поведения грунта. Для 3й категории сложности всегда требуется выполнение геотехнического мониторинга и научно-технического сопровождения.
Инженерно-геологические изыскания
Для проектирования подземных сооружений требуется проведения особо качественных инженерно-геологических изысканий, в процессе которых подробно изучаются:
- Геологическое строение участка, его геоморфология;
- Гидрогеологические условия;
- Природные и инженерно-геологические процессы и явления;
- свойства грунтов и прогноз их изменений при строительстве, а также при эксплуатации объекта;
- Изучается возможность развития опасных геологических и техногенных процессов.
Нагрузки и воздействия
При проектировании подземных сооружений учитывают влияние и воздействие как существующей застройки на объект строительства, так и строительство объекта на окружающую застройку. При этом принимают во внимание любые нагрузки и воздействия способные повлиять на напряженно-деформированное состояние окружающего массива, такие как:
- Транспортные нагрузки;
- Технологические вибрационные нагрузки и воздействия окружающей застройки;
- Застройку окружающей среды и перспективу использования окружающего пространства;
- Необходимость переноса близлежащих сетей инженерно-технического обеспечения;
- Необходимость проведения работ по сносу или демонтажу окружающих строений, включая подземные сооружения;
- Необходимость усиления оснований или фундаментов близстоящих зданий или сооружений;
- Необходимость проведения археологических раскопок (в исторической части города);
Нагрузки и воздействия должны устанавливаться расчетом при рассмотрении совместной работы сооружения и основания. При этом коэффициенты надежности по нагрузки, коэффициенты сочетаний нагрузок, и пр, принимаются в соответствии со строительными нормами и правилами.
Исходные данные на проектирование
Так как проектирование подземных сооружения является особо сложной задачей в строительном проектировании, то для изучения, анализа и интерпретации исходных данных требуется высокая квалификация и опыт в проектировании и строительстве подземных сооружений.
Основное отличие исходных данных для подземных сооружений это их объем. По составу и содержанию принципиальных отличий нет, по сравнению с исходными данными на проектирование обычных фундаментов.
Таким образом, для проектирования подземных сооружений требуются:
- Техническое задание на проектирование;
- Результаты инженерных изысканий;
- Результатов обследования окружающей застройки;
- Проектной документации строящихся зданий и сооружений в зоне влияния строительства;
- Материалы предпроектной проработки;
- Исходно-разрешительная документация, вкл. ГПЗУ, технические условия и пр.;
- И прочее;
Срок давности (возраст) материалов исходных данных должен соответствовать требованиям законодательства в строительстве. Так, для результатов инженерно-геологических изысканий срок давности не должен превышать три года.
Проектирование подземных сооружений
В процессе проектирования необходимо рассматривать все возможные сценарии и проектные ситуации взаимодействия объекта с окружающей средой и грунтовым основанием, работу отдельных элементов сооружения при взаимодействии друг с другом.
Для каждой проектной ситуации выполняются комплексные расчеты по предельным состояниям, обеспечивающие надежное строительство и эксплуатацию сооружения, с целью реализации оптимальных и эффективных технических решений.
Принятие тех или других технических решений основывается на:
- Выполнении ряда серий комплексных аналитических и численных расчетов;
- Требованиях нормативно-правовых актов и строительных норм и правил;
- Проведении физического моделирования и/или натурных испытаниях объекта строительства.
При проектировании сооружения такого класса необходимо учитывать опыт проектирования и строительства объектов-аналогов.
Бурное развитие научно-технического прогресса способствует появлению передовых технологий во всех сферах общественной жизни. Демографическая ситуация, увеличение покупательской способности населения и не только обуславливают острую необходимость человечества в освоении дополнительного пространства для его жизнедеятельности. Земные глубины в этом смысле не исключение, а потому уже достаточно давно привлекли внимание ученых и промышленников, и даже простых людей, то есть нас с Вами.
Итак, сегодня мы хотим поговорить не просто о подземных зданиях – подвалах, цокольных этажах и подземных парковках торговых центров , а именно о сооружениях, размещаемых под землей – тоннелях, бункерах, резервуарах. Отличным наглядным примером подобных сооружений в г. Москве является метрополитен, занимающий огромные пространства и характеризующийся сложнейшими инженерными решениями. Своего рода прорывом в развитии транспортной инфраструктуры в свое время стало устройство автомобильных и железнодорожных тоннелей, проходящих сквозь горные массивы, что позволило решить проблему доступности населенных пунктов и укрепить взаимосвязи между ними.
Проектирование подземных сооружений во многом упростило выполнение дизайнерских задач, когда целые инженерные системы «прячут» под землю, не нарушая, таким образом, эстетический облик соответствующей территории. Более того, во многих зарубежных странах сегодня принято решение использовать подземные тоннели с инженерными сетями не только для транспортной разгрузки городов, но и для того, чтобы полностью отказаться от эксплуатации наземного пространства для устройства автомобильных трасс и железнодорожных коммуникаций. В их планах основной задачей становится расширение так называемых «зеленых зон» – парков, игровых и прогулочных площадок.
Предприятия гражданской обороны во всем мире с давних времен активно используют наработки инженеров-проектировщиков подземных сооружений. Примером может послужить строительство многочисленных бомбоубежищ, бункеров для секретных служб и лабораторий, в том числе и для выполнения задачи обеспечения безопасности в военное время. Многие промышленные производства, ввиду особенностей своей деятельности, не просто могут, но обязаны использовать подземные сооружения для хранения определенного перечня промышленных отходов (химические и радиационные), чтобы предотвратить их негативное воздействие на окружающую среду. С этой целью они возводят специальные резервуары, позволяющие обеспечить длительное и безопасное хранение вредных и взрывоопасных веществ.
Отдельно спроектированные парковки, не являющиеся подземным продолжением наземных зданий, также относятся к подземным сооружениям. Устройство подобных сооружений весьма распространено на территории нашей страны и особенно характерно для густозаселенных городов и районов.
Подземные сооружения представлены и менее масштабными примерами. Так, собственники частных домов в пределах своих земельных участков устраивают подземные бункеры (что характерно для американской действительности) или погреба для хранения консервации и иных вещей (речь идет не просто о вырытых землянках, а о грамотно запроектированных и устроенных погребах).
Итак, подземные сооружения имеют массу полезных характеристик, и благодаря им удается найти решение огромного разнообразия современных проблем, возникающих на уровне отдельных людей или целого государства. Однако если Вы планируете построить что-то подобное, то должны понимать, что проектирование такого объекта обойдется Вам гораздо дороже, чем разработка проекта наземного сооружения. Это обусловлено совокупностью факторов, связанных и с объемом инженерных изысканий, обязательных к проведению, и сложностью выполняемых расчетов, и оценкой влияния будущего сооружения на окружающие территории.
Процесс проектирования подземных сооружений в целом не отличается от проектирования наземных, если мы говорим об основных его этапах, а именно:
1. Сбор исходных данных.
2. Разработка проектной и рабочей документации.
3. Прохождение экспертизы разработанной документации.
Особенностью такого проектирования является объем инженерных изысканий и обследования прилегающей территории, изучение геологических и гидрологических особенностей местности, оценка влияния природных факторов. Так, дополнительно следует учитывать давление грунта, наличие грунтовых вод, глубину строительства и многое другое. Анализ исходной документации в конечном итоге и определяет вид и сложность будущих конструкций, а также особенности их устройства под землей.
Вы с уверенностью можете доверить нашим специалистам проектирование подземных сооружений любой сложности. Многолетний опыт наших сотрудников избавит Вас от необходимости решать различные проблемы, связанные как с проведением инженерных изысканий, так и поиском оптимальных технических решений для воплощения проекта в реальность.
9.1 Подземные сооружения в зависимости от соотношения основных размеров подразделяют на линейные (протяженные) и компактные.
9.2 К подземным сооружениям, возводимым открытым способом, относят устраиваемые:
В котлованах без ограждающих конструкций;
В котлованах с использованием временных ограждающих конструкций (шпунтов, забирок, нагельных креплений и пр.) и постоянных ограждающих конструкций ("стены в грунте", буросекущихся свай и пр.);
В котлованах с использованием специальных способов строительства (замораживания грунтов, закрепления грунтов и пр.);
Способом опускного колодца.
9.3 Объемно-планировочные решения подземных сооружений должны учитывать конструктивные и технологические особенности устройства сооружения.
Конструктивные решения подземных сооружений должны обеспечивать их геометрическую неизменяемость, наиболее благоприятную статическую работу, устойчивость положения и формы, прочность.
9.4 Программа инженерно-геологических изысканий для проектирования подземных сооружений I уровня ответственности должна составляться с привлечением специализированных организаций.
9.5 При инженерно-геологических изысканиях должны быть выявлены и изучены:
Тектонические и закарстованные структуры, разрывные и складчатые нарушения;
Ожидаемые водопритоки в котлованы и подземные выработки, величина напора в горизонтах подземных вод, наличие и толщина водоупоров и их устойчивость против прорыва напорных вод;
Наличие и распространение грунтов, обладающих плывунными, тиксотропными и суффозионными свойствами и виброползучестью;
Наличие и местоположение подземных сооружений, подвалов, тоннелей, инженерных коммуникаций, колодцев, подземных выработок, буровых скважин и пр.;
Динамические воздействия от существующих сооружений.
9.6 При строительстве подземных сооружений в котлованах с использованием постоянных ограждающих конструкций геологические скважины должны быть размещены по сетке не более 20х20 м или по трассе ограждающих конструкций не реже, чем через 20 м. Число скважин должно зависеть от категории сложности инженерно-геологических условий и составлять не менее пяти.
Инженерно-геологическое строение площадки должно быть изучено на глубину не менее 1,5+5 ì, ãäå- глубина заложения подошвы ограждающей конструкции, но не менее 10 м от подошвы ограждающей конструкции. На указанную глубину должно быть пройдено не менее 30% скважин, но не менее трех скважин.
При проектировании устройства подземных сооружений без ограждающих конструкций глубина скважин должна быть не менее 1,5+5 ì, ãäå- глубина котлована.
9.7 При проектировании подземных сооружений I уровня ответственности дополнительно к предусмотренным в 5.1.8 надлежит полевыми и лабораторными методами определять следующие физико-механические характеристики дисперсных и скальных грунтов:
Модуль деформации для первичной ветви нагружения и ветви вторичного нагружения(см. 5.5.31). Вторичное (повторное) нагружение следует выполнять для тех же диапазонов напряжений, что и первичное;
Коэффициент поперечной деформации . Для подземных сооружений II и III уровней ответственности расчетные значения коэффициентадопускается принимать в соответствии с 5.5.44;
Прочностные характеристики: угол внутреннего трения и удельное сцепление, определяемые для условий, соответствующих всем этапам строительства и эксплуатации подземного сооружения;
Предел прочности на одноосное сжатие для скальных и искусственно замороженных грунтов;
Удельные нормальные и касательные силы морозного пучения è;
Коэффициент фильтрации грунтов;
Классификационные характеристики массивов скальных пород: модуль трещиноватости , показатель качества породы, коэффициент выветрелости(ÑÍèÏ 2.02.02).
При обосновании изысканиями могут определяться по специальному заданию и другие физико-механические и классификационные характеристики грунтов.
9.8 При необходимости следует выполнять измерения напряжений в массивах горных пород и грунтов; опытные полевые работы по водопонижению, закреплению и замораживаванию грунтов, устройству буросекущихся свай и "стены в грунте", а также геофизические и прочие исследования.
9.9 Расчеты и проектирование подземных сооружений в условиях существующей застройки следует выполнять как для обеспечения прочности и устойчивости самих возводимых сооружений, так и для сохранения существующей застройки и окружающей среды.
9.10 При проектировании подземных сооружений следует учитывать уровень их ответственности, а также ответственности сооружений, на которые может оказывать влияние подземное строительство в соответствии с ГОСТ 27751.
В том случае если в зону влияния проектируемого подземного сооружения попадает существующее сооружение более высокого уровня ответственности, уровень ответственности проектируемого сооружения должен быть повышен до уровня ответственности сооружения, на которое оказывается влияние.
9.11 Расчеты подземных сооружений по первой и второй группам предельных состояний должны выполняться в соответствии с разделом 5 и включать определения:
Несущей способности основания, устойчивости сооружения и его отдельных элементов;
Местной прочности скального основания;
Устойчивости склонов, примыкающих к сооружению, откосов, бортов котлованов;
Устойчивости ограждающих конструкции;
Внутренних усилий в ограждающих, распорных, анкерных и фундаментных конструкциях;
Фильтрационной прочности основания, давления подземных вод на конструкции подземного сооружения, фильтрационного расхода;
Деформаций системы "подземное сооружение-основание".
При выполнении расчетов следует учитывать возможные изменения гидрогеологических условий, а также физико-механических свойств грунтов с учетом промерзания и оттаивания, явлений просадок, пучения и набухания.
9.12 При проектировании подземных сооружений, перекрывающих частично или полностью естественные фильтрационные потоки в грунтовом или скальном массиве, а также изменяющих условия и пути фильтрации подземных вод, следует выполнять прогноз изменений гидрогеологического режима площадки строительства.
Прогноз изменений гидрогеологического режима следует выполнять путем математического моделирования фильтрационных процессов численными методами.
9.13 При проектировании подземных сооружений в условиях существующей застройки следует выполнять геотехнический прогноз влияния строительства на изменение напряженно-деформированного состояния грунтового массива и деформации существующих сооружений.
Этот прогноз следует выполнять, как правило, путем математического моделирования с использованием нелинейных моделей грунтов численными методами.
9.14 При определении нагрузок и воздействий на основание и конструкции подземных сооружений к постоянным нагрузкам относят: вес строительных конструкций подземного или заглубленного сооружения и наземных сооружений, передающих нагрузку на него непосредственно или через грунт; давление грунтового массива, вмещающего сооружение, и подземных вод при установившейся фильтрации; усилия натяжения постоянных анкеров; распорные усилия и пр.
К временным длительным нагрузкам и воздействиям относят: вес стационарного оборудования подземных сооружений; давление подземных вод при неустановившемся режиме фильтрации; нагрузки от складируемых на поверхности грунта материалов; температурные технологические воздействия; усилия натяжения временных анкеров; нагрузки, обусловленные изменением влажности, усадкой и ползучестью материалов и пр.
К кратковременным нагрузкам и воздействиям относят: дополнительное давление грунтов, вызванное подвижными нагрузками, расположенными на поверхности грунта; температурные климатические воздействия и пр.
К особым нагрузкам и воздействиям относят: сейсмические воздействия; динамические воздействия от эксплуатируемых линий метрополитена, транспортных сооружений или промышленных объектов; воздействия, обусловленные деформациями основания при просадках, набухании и морозном пучении грунтов и др.
9.15 При проектировании подземных сооружений I и II уровней ответственности следует предусматривать проведение мониторинга (раздел 14).
Должны быть предусмотрены инженерные мероприятия, обеспечивающие экологическую защиту прилегающей территории от подтопления, загрязнения подземных вод промышленными и бытовыми стоками и пр., а также по защите близлежащих сооружений от недопустимых деформаций.
Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Санкт-Петербургский государственный горный институт им.
(технический университет)
ПРОЕКТИРОВАНИЕ СТРОИТЕЛЬСТВА
ПОДЗЕМНЫХ СООРУЖЕНИЙ
Учебное пособие
Допущено Учебно-методическим объединением
вузов Российской Федерации по образованию
для студентов вузов, обучающихся по специальности
«Шахтное и подземное строительство»
направления подготовки дипломированных специалистов «Горное дело»
Санкт-Петербург
УДК 622.25(26) : 624.19: 656.
Рассмотрены принципы проектирования строительства подземных сооружений, приведена их классификация, изложены требования нормативных документов к структуре и содержанию задания на проектирование , технико-экономического обоснования, рабочей документации. Приведены методы инженерного проектирования, его нормативная база, критерии оптимизации решений, принципы проектирования конструкций, компоновки и технологических схем строительства подземных сооружений.
Учебное пособие предназначено для студентов специальности (1304«Шахтное и подземное строительство» и может быть использовано студентами специальности (1304«Маркшейдерское дело» и других специальностей.
Научный редактор проф.
Рецензенты: проф. (Петербургский государственный университет путей сообщения); проф. (ВНИМИ).
Т 415 проектирование строительства подземных сооружений: Учеб. пособие / Санкт-Петербургский государственный горный институт (технический университет). СПб, 20с.
УДК 622.25(26) : 624.19: 656.
ББК 38.78
Ó Санкт-Петербургский горный институт им. , 2005 г. |
Предисловие................................................................................................................ 4
1. Принципы проектирования.................................................................................... 5
1.1. Общие положения......................................................................................... 5
1.2. Классификация подземных сооружений...................................................... 7
1.3. Структурная схема проектирования............................................................ 8
1.4. Функции заказчика, проектировщика, строителя (подрядчика)................ 11
1.5. Задание на проектирование........................................................................... 14
1.6. Технико-экономическое обоснование (проект)........................................... 15
1.7. Рабочая документация.................................................................................. 19
1.8. Рабочий проект. Типовые и экспериментальные проекты......................... 21
2. Методы инженерного проектирования................................................................. 23
2.1. Исходные данные для проектирования....................................................... 23
2.2. Научное обеспечение проектирования и строительства подземных
сооружений........................................................................................................... 29
2.3. Нормативная база проектирования.............................................................. 39
2.4. Формирование идеи проектного решения и инженерный анализ.............. 45
2.5. Оптимизация и принятие решений............................................................... 49
2.6. Системы автоматизированного проектирования........................................ 60
3. Проектирование конструкций подземных сооружений....................................... 63
3.1. Общие положения......................................................................................... 63
3.2. Требования к материалам обделок ПС........................................................ 65
3.3. Выбор конструктивно-технологического типа крепи (обделки)............... 68
3.4. Принципы расчета крепей подземных сооружений.................................... 75
4. Проектирование организации строительства........................................................ 79
4.1. Общие положения......................................................................................... 79
4.2. Организационно-технологические схемы.................................................... 80
4.3. Схемы вскрытия подземных сооружений................................................... 81
4.4. Технологические схемы строительства ПС................................................. 86
4.5. Подготовка производства и документация................................................. 97
4.6. Обеспечение качества СМР и охраны окружающей среды . Оперативно-диспетчерское управление 100
4.7. Проектирование технологии строительства подземных сооружений....
Между заказчиком (инвестором) и проектировщиком заключается договор (контракт), который регулирует правовые и финансовые отношения, взаимные обязательства и ответственность сторон, и должен содержать задание на проектирование . Его рекомендуемые состав и содержание для объектов производственного назначения, представленные в приложении 1 СНиП , включают 16 позиций (см. раздел 1.5).
Проектная документация разрабатывается преимущественно на конкурсной основе , в том числе через торги подряда (тендер). Все проекты или рабочие проекты подлежат государственной экспертизе в соответствии с порядком, установленным в Российской Федерации. Утверждение проектов выполняется в зависимости от объекта:
· органами Минстроя России для объектов республиканского финансирования;
· органами субъектов Федерации для объектов, ими финансируемых;
· инвесторами (заказчиками) для объектов, финансируемых за счет собственных ресурсов.
1.2. Классификация подземных сооружений
Многообразие подземных сооружений (ПС) и способов их строительства классифицируют по семи признакам.
1. По назначению:
1.1. Транспортные (железнодорожные, автодорожные, метро, автостоянки и гаражи, смешанные).
1.2. Коммунальные (канализация, смешанные коллектора , склады, фабрики, торгово-бытовые и зрелищные комплексы и т. п.).
1.3. Гидротехнические (водоснабжения , ирригации, гидроэлектростанций и т. п.).
1.4. Спецназначения (оборонные, атомные и гидроаккумулирующие ЭС, научные, учебные, хранилища).
1.5. Горно-добывающих предприятий (выработки капитальные, подготовительные, очистные).
2. По пространственному положению:
2.1. Горизонтальные (протяженные и камерные).
2.2. Вертикальные (стволы; колодцы малого, среднего, большого и очень большого диаметра).
2.3. Наклонные (наклонные стволы, эскалаторные тоннели, выходы линий метро на поверхность и т. п.).
3. По рельефному признаку:
3.1. Горные (преодоление высотных преград).
3.2. Подводные (преодоление водных преград).
3.3. Равнинные (без рельефных преград).
3.4. Комбинированные.
4. По условиям строительства:
4.1. Городские или внегородские (проблемы транспорта, коммуникаций, рабочих кадров, экологии и т. п.).
4.2. Территория застроенная или незастроенная (проблемы сноса или переноса зданий, сооружений, коммуникаций и т. п.).
4.3. Вне зоны или в зоне сейсмических, или иных опасных воздействий (проблемы особой защиты подземных и наземных сооружений, людей, оборудования и т. п.).
5. По способу строительства:
5.1. Открытым способом (с удалением всей толщи пород от поверхности до подошвы сооружения).
5.2. Закрытым способом (с выемкой породы только в пределах размеров ПС).
5.3. Комбинированным (открыто-закрытым) способом.
6. По способу выполнения горных работ:
6.1. Обычным способом (без опережающего крепления или искусственного изменения свойств и состояний массива пород).
6.2. Специальным способом (с опережающим креплением или искусственным изменением свойств и состояний массива пород).
6.3. Комбинированным способом (по пп. 6.1. и 6.2.).
7. По доступности при эксплуатации:
7.1 Доступные (для осмотра, обслуживания, ремонта и реконструкции сооружений и оборудования, например ПС метро).
7.2 Частично доступные (только для осмотра при эксплуатации, но требующие остановки для обслуживания, ремонта и реконструкции, например безнапорные канализационные и гидротехнические тоннели).
7.3 Недоступные (требуют приостановки эксплуатации для осмотра и других процедур).
На выбор инженерных решений при проектировании ПС влияет много факторов:
· класс и подкласс ПС по изложенной выше классификации;
· геологические, инженерно-геологические и гидрогеологические условия;
· климатические, экологические и психологические особенности;
· экономические обстоятельства;
· потребность комплексного освоения подземного пространства (КОПП).
1.3. Структурная схема проектирования
Процесс проектирования включает восемь основных этапов.
1. Постановка задачи. На основе научных прогнозов, обоснования инвестиций в строительство объекта, изысканий инженерно-геологического и другого характера составляется заказчиком совместно с проектировщиком задание на проектирование .
2. Формирование идеи решения задачи (принципиальных схем).
3. Инженерный анализ вариантов решения задачи с выполнением необходимых расчетов и других обоснований.
4. Принятие решения на основе оптимизации вариантов. Их множественность и неоднозначность обычно требует многошагового (иттерационного) подхода с последовательным приближением к наилучшему варианту.
5. Составление проектно-сметной документации.
6. Передача проекта на экспертизу в компетентные органы.
7. Защита проекта перед заказчиком и экспертами и внесение в проект согласованных изменений.
8. Согласование проекта с соответствующими государственными органами и службами, его утверждение и передача заказчику.
В дальнейшем проектная организация выполняет авторский надзор при осуществлении проекта.
Проектирование складывается из решения инженерных задач. В их состав входят: цель, ограничения и исходные данные.
У любой задачи есть начальные условия, которые именуют входом . Состояние, которое нужно достичь (цель), называют выходом . Решением инженерной задачи является создание объекта, процесса или элемента, которые, используя законы природы, могут перевести состояние входа в состояние выхода.
Большинство инженерных задач имеет несколько решений. Например, есть несколько видов транспорта и много возможных маршрутов между двумя пунктами. Инженерная задача требует нахождения оптимального решения. Основной признак, по которому одно решение выбирается из многих возможных, называют критерием.
Существуют частные решения, применение которых неизбежно. Например, при подземном строительстве нормированы минимально допустимые размеры поперечных сечений горных выработок, скорости движения воздуха по выработкам, наборы типовых решений и т. п. Решения, обязательно включаемые в инженерную задачу, называют ограничениями.
Инженерная задача существует, если имеется более чем одно возможное решение и если все возможные решения неочевидны. Например, при строительстве подземной гидроэлектростанции входом является поток воды, движущийся в русле реки, а выходом – электроэнергия, поступающая по линиям электропередач к потребителям. Сложность инженерной задачи заключается в том, что основные энергетические параметры гидроэлектростанции: напор, мощность, выработка энергии, и конструкции входящих в ее состав сооружений, их размеры, объемы и стоимости работ – однозначно не определяются и тесно связаны с местными топографическими и гидрогеологическими условиями, а также с методами производства работ .
Ни одно из решений практических задач не остается постоянно наилучшим. Находятся лучшие решения, возникают новые требования, накапливаются новые знания, изменяются условия. Наступает время, когда становится выгодным пересмотреть проект действующего объекта в поисках лучшего решения. Улучшение существующих устройств, приборов, сооружений называется модернизацией или реконструкцией .
Современное подземное сооружение представляет собой сложную вероятностную техническую систему, состоящую из множества взаимосвязанных и взаимодействующих элементов. Проект организации строительства подземного сооружения также весьма сложная вероятностная система. Во многих случаях с целью упрощения и ускорения поиска решений инженерной задачи вместо вероятностной рассматривают детерминированную систему.
Системой называют совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих элементов, свойства которых качественно отличаются от суммы свойств этих элементов. Все то, что не входит в систему, но воздействует на нее или находится под ее влиянием, называют внешней средой. В зависимости от степени взаимодействия системы с внешней средой различают открытые и закрытые системы.
Под открытой понимают систему, которая взаимодействует с окружающей средой посредством каналов связи, являющихся входом и выходом системы.
В закрытой системе отсутствует материальный, энергетический или информационный обмен со средой. В реальном мире таких систем нет. Однако нередко при решении сложных задач исключают влияние внешней среды, преобразуя открытую систему в закрытую. Например, притяжение Луны оказывает силовое воздействие на горное давление. На практике, однако, расчеты прочности подземных конструкций выполняют без учета этого воздействия.
Все системы делятся на детерминированные и вероятностные. В детерминированных системах предполагается отсутствие случайных воздействий, и каждое целенаправленное действие приводит к единственному результату. В вероятностных системах могут быть получены различные результаты, вероятности достижения которых известны или могут быть оценены с определенной долей риска.
1.4. Функции заказчика, проектировщика,
строителя (подрядчика)
Разработка проектов нового строительства, расширения и реконструкции действующих предприятий, подземных сооружений, жилых домов и общественных зданий осуществляется проектными организациями , находящимися на хозрасчете. Они выполняют работы на основе государственных планов и договоров с заказчиками , которые выдают задание на проектирование, обеспечивают финансирование проектных работ, осуществляют контроль за ходом и сроками разработки проектно-сметной документации и т. д. Проектные организации, в свою очередь, отвечают за качество проектов, а также сроки их разработки.
Различают комплексные и специализированные проектные организации. Первые выполняют разработку практически всех разделов проектов, кроме узкоспециализированных. В комплексной проектной организации имеются подразделения, состоящие из сотрудников различных специальностей, необходимых для разработки проектно-сметной документации без привлечения сторонних организаций.
Специализированные организации выполняют проектные работы узкого профиля. Координацию работ выполняет генеральный проектировщик , который привлекает на договорной основе специализированные проектные организации – субподрядчики.
По уровню концентрации проектных работ различают крупные (численность более 800 чел.), средние (400-800 чел.) и небольшие (до 400 чел.) проектные организации. По масштабу деятельности проектные организации подразделяют на головные (центральные), зональные и территориальные.
Головные проектные организации призваны определять единую техническую политику в родственных организациях. Они разрабатывают схемы развития отрасли, типовые проекты , технические условия, указания и рекомендации по проектированию, нормы продолжительности проектирования и строительства и т. п. (например, Метрогипротранс и Гидропроект).
Зональные проектные организации занимаются координацией проектирования в определенной зоне. Территориальные проектные организации осуществляют единую техническую политику, направленную на рациональное размещение промышленных предприятий, зданий и сооружений, объединение предприятий в промышленные узлы.
Функции основных проектировщиков выполняют проектные институты . Для ускорения внедрения научно-технических достижений ведущие проектные институты имеют в своем составе научно-исследовательские подразделения: научно-исследовательские и проектные институты (НИИпроект). Для выполнения изыскательских работ некоторые организации включают в свою структуру изыскательские подразделения. Такая организация получает наименование проектно-изыскательского института (например, Ленметрогипротранс).
Для выпуска проектно-сметной документации на реконструкцию цехов, участков, разработку отдельных технологических процессов, механизацию и автоматизацию работ, привязку к площадкам строительства типовых проектов несложных зданий и сооружений создаются проектно-конструкторские бюро, конторы, группы и отделения предприятий, организаций и учреждений (например, проектная контора треста «Шахтспецстрой»).
Структура проектных организаций зависит от характера и объема проектно-изыскательских работ, а также от численности персонала. Основными подразделениями являются специализированные отделы. Непосредственная разработка проектных решений осуществляется в отделах группами конструкторов и технологов.
Увязку всех частей проекта, техническое руководство проектированием, обеспечение комплектности проектной документации, применение типовых проектов осуществляет главный инженер проекта (ГИП). Он выдает задания и принимает работы, выполненные различными отделами и группами, подготавливает задания и исходные данные для проектирования, выполняемого другими проектными организациями, осуществляет контроль за ходом работы и ее прием, несет ответственность за технико-экономический уровень строящихся подземных сооружений, правильное определение сметной стоимости строительства, качество проектов и достижение предприятиями проектных показателей в установленные сроки.
Любой проект состоит из двух частей: технологической (период эксплуатации) и строительной (рис.1.1).
Рис.1.1. Структурная схема проектирования предприятий и сооружений: А – общая схема; Б – одностадийное; В – двухстадийное |
|||||||||||||||||
Проектирование подземных и прочих сооружений, в зависимости от их сложности, значимости и сметной стоимости выполняют в одну или две стадии.
Одностадийное проектирование применяют при несложных и недорогих сооружениях, а также при использовании типовых или повторно применяемых проектов. Двухстадийное – в остальных случаях.
При двухстадийном проектировании строительная часть в виде проекта организации строительства (ПОС) разрабатывается генеральной проектной организацией (или ее субподрядчиком).
Проект со сводными сметами, после его утверждения, выставляется на конкурс среди строителей (подрядчиков), и победитель конкурса приступает к подготовке строительства, в том числе разрабатывает проект производства работ (ППР) самостоятельно или с привлечением специализированных проектных организаций, бюро или групп. При этом целесообразно в целях экономии средств и времени, а также повышения качества проектной работы, широко использовать технологические карты на типовые процессы или операции горно-строительных работ.
1.5. Задание на проектирование
Состав задания на проектирование (ЗП) объектов производственного назначения является частью договора между заказчиком и проектировщиком и устанавливается с учетом отраслевой специфики и вида строительства. Ориентировочный состав ЗП включает:
· наименование и местоположение проектируемого объекта (сооружения);
· основание для его проектирования;
· вид строительства (новое или реконструкция) и его особые условия;
· стадийность проектирования;
· основные технико-экономические показатели (ТЭП);
· требования по вариантной и конкурсной разработке;
· требования к объемно-планировочным, конструктивным и природоохранным решениям, мероприятиям гражданской обороны (ГО) и чрезвычайных ситуаций (ЧС), выполнению опытно-конструкторских и научно-исследовательских работ , режиму безопасности и гигиены труда, составу демонстрационных материалов и пр.
Вместе с заданием на проектирование заказчик выдает проектировщику необходимые исходные материалы : обоснование инвестиций в строительство данного объекта, решение местного органа власти о месте его размещения, акт о выделении земельного участка , материалы инженерных изысканий и обследований и т. п. (см. раздел 2.1); условия для размещения временных зданий и сооружений, вид и размещение подземных и наземных сетей и коммуникаций и т. п.
1.6. Технико-экономическое обоснование (проект)
На первой стадии двухстадийного проектирования составляют проект, который должен содержать основные решения, обеспечивающие наиболее эффективное использование материальных и денежных затрат при строительстве и эксплуатации подземного сооружения, возможность завершения его строительства в заданный срок с установленными технико-экономическими показателями.
Проект разрабатывается без лишней детализации, но в объеме, достаточном для обоснования принимаемых проектных решений, определения объемов строительно-монтажных работ (СМР), потребности в оборудовании, строительных конструкциях, материальных, топливно-энергетических, трудовых и других ресурсах, а также для правильного определения сметной стоимости строительства.
В проекте обосновывают целесообразность строительства подземного сооружения в данном месте, в данное время, с высокими технико-экономическими показателями.
В состав проекта на новое строительство, расширение и реконструкцию действующих предприятий входят следующие разделы.
· основание и исходные данные для проектирования;
· краткая характеристика подземного сооружения и объектов, входящих в его состав;
· проектная мощность;
· организация производства;
· число, оснащенность и безопасность рабочих мест;
· потребность в топливе, воде, тепловой и электрической энергии;
· организация и сроки строительства;
· экономические показатели производства и эффективность использованных в проекте достижений науки и техники;
· краткая характеристика района и площадки строительства;
· основные показатели по генеральному плану , внутриплощадочному и внешнему транспорту, инженерным сетям и коммуникациям, охране и безопасности труда.
Приводятся также сведения об использованных в проекте изобретениях, ТЭП в проекте и их сравнение с данными задания на проектирование, подтверждение соответствия проектной документации нормам, правилам, стандартам и т. п.
2. Генеральный план и транспорт. Раздел содержит характеристику района и площадки строительства, решения генплана, выбор вида транспорта, планировочные и коммуникационные решения, организацию охраны.
Основные чертежи:
а) ситуационный план объекта, представляющий размещение стройплощадок и всех сопутствующих строительству объектов, коммуникаций, очистных сооружений , породных отвалов и т. п. Для линейных объектов следует показать план и продольный профиль трассы;
б) генеральный план (генплан), представляющий местоположение на отведенной для строительства территории проектируемых и сносимых сооружений, планировочные отметки территории для расчета объемов земляных работ , схемы инженерных и транспортных коммуникаций , объекты благоустройства и озеленения.
3. Технологические решения при эксплуатации объекта. Этот раздел определяет функциональное назначение проектируемого подземного сооружения, его мощность, пропускную способность или характер выпускаемой продукции, механизацию и автоматизацию производства, численность работающих, решения по тепло-, водо - и электроснабжению, освоению проектной мощности в заданный срок, охране окружающей среды. Здесь же приводятся: число рабочих мест, организация труда рабочих и служащих, управление предприятием, кооперирование и разделение труда, автоматизированная система управления и контроля качества продукции, данные о количестве и составе вредных выбросов в атмосферу и сбросов в водные среды, решения по предотвращению и устранению аварийных ситуаций или катастроф.
Основные чертежи:
а) принципиальные схемы технологических процессов при эксплуатации объектов и компоновки технологического оборудования;
б) принципиальные схемы механизации и автоматизации производственных процессов;
в) схемы перевозок грузов в транспортных тоннелях и пассажиров в метро.
4. Управление производством, предприятием и организация условий и охраны труда . Раздел содержит структуру и автоматизацию управления предприятием, численность и состав работающих, условия их труда, мероприятия по его охране и технике безопасности, снижению шумов, вибраций, загазованности, избытка тепла и т. д.
5. Архитектурно-строительные решения. Приводятся иженерно - и гидрогеологические условия строительства, описание и обоснование архитектурно-строительных решений по основным зданиям и сооружениям; мероприятия по электро-, взрыво - и пожаробезопасности, защите сооружений от коррозии, водопритоков, сейсмических воздействий; перечень повторно использованных и типовых проектов.
Основные чертежи:
а) объемно-планировочные и конструктивные решения сооружений;
б) способы и технологические схемы их строительства;
в) мероприятия по антикоррозийной защите строительных конструкций;
г) каталожные листы типовых проектов, использованных в разработанном проекте;
д) схемы трасс внешних инженерных и транспортных коммуникаций и внутриплощадочных сетей.
6. Инженерное оборудование, сети и системы. Приводятся решения по вентиляции, электро-, водо - и теплоснабжению , водоотведению, водоотливу и канализации, связи и сигнализации, противопожарной защите с количеством и характеристиками соответствующего оборудования.
Основные чертежи:
а) принципиальные схемы снабжения по указанным видам потребностей и размещение соответствующих устройств;
б) планы и профили инженерных сетей;
в) чертежи основных сооружений рассматриваемого профиля.
7. Организация строительства. Главная задача – разработка организационных, технических и технологических решений, направленных на достижение конечного результата, – ввода в действие подземного сооружения с необходимым качеством и в установленные сроки (см. раздел 4).
8. Охрана окружающей среды. Раздел выполняется согласно нормативным документам, утвержденным Минстроем, Минприроды России, и другими актами, регулирующими природоохранную деятельность.
Большое внимание уделяется охране окружающей природной среды при строительстве. Раздел содержит исходные данные и решения по охране атмосферного воздуха от загрязнений, водоемов от грязных сточных вод, по восстановлению земельного участка, использованию плодородного слоя почвы, охране недр и животного мира.
9. Инженерные мероприятия по ГО и предупреждению ЧС. Раздел выполняется в соответствии с действующими нормами и правилами в области ГО и ЧС природного и техногенного характера.
10. Сметная документация. Раздел выполняется согласно положениям и формам, приводимым в нормативно-методических документах Минстроя России. На первой стадии проектирования (проект) должен содержать:
· сводные сметные расчеты стоимости строительства, а при разных источниках финансирования капитальных вложений также и сводку затрат;
· объектные и локальные сметные расчеты;
· сметные расчеты на отдельные виды затрат (в том числе на проектные и изыскательские работы).
11. Эффективность инвестиций. Сопоставляют обобщенные данные и результаты расчетов по проекту с данными ТЭП в составе обоснования инвестиций в строительство проектируемого объекта и задания на проектирование. Раздел выполняется согласно Методическим рекомендациям, утвержденным Госстроем, Минэкономики, Минфином и другими госорганами России.
Примерный перечень ТЭП, приведенный в СНиП , содержит 17 позиций. В их числе: мощность предприятия, численность работающих, общая стоимость строительства (в том числе СМР), удельные капитальные вложения, продолжительность строительства, себестоимость продукции, уровень рентабельности, срок окупаемости и др.
Раздел жилищно-гражданского строительства разрабатывают в случаях, когда необходимо создание нового или развитие существующего города, поселка. На эти цели предусматриваются капитальные вложения. Приводятся результаты расчетов численности людей для поселения, сведения о площадках для строительства, ситуационный план района строительства, схема из генплана города или района.
1.7. Рабочая документация
на второй стадии двухстадийного проектирования разрабатывается рабочая документация, которая предназначена для непосредственного осуществления строительных, горных и монтажных работ . Она выполняется проектным подразделением строительной организации (подрядчиком и субподрядчиками) на основе утвержденного проекта и согласуется с заказчиком и генпроектировщиком. Рабочая документация может быть по заказу подрядчика выполнена специализированной проектной организацией (разного рода «оргтехстроями»).