Освоение подземного пространства в городах. Влияние подземных сооружений на подземные воды

     Достройка и усовершенствование метрополитена  происходит и по сей день. Метро является одним из главных и экономных средств передвижения людей. [3]

      Глава 3.Подземные сооружения.

3.1 Автомагистрали.

     В центральных районах крупных  городов и  городов-мегаполисов нередко создают протяжённые автотранспортные тоннели, дублирующие основные автомагистрали и обеспечивающие  развязку движения в разных уровнях на нескольких узлах. Длина таких тоннелей может составлять не один километр. Для въезда и выезда автомобилей и остановок общественного транспорта предусматриваются промежуточные рампы. Развитая сеть подземных автомагистралей способна  практически полностью обеспечить транзитный пропуск транспортных потоков через центральные районы города. Трасса  магистральных тоннелей должна быть увязана с расположением  существующих и проектируемых крупных подземных комплексов,  гаражей, автостоянок, авто- и железнодорожных вокзалов и других объектов городской инфраструктуры.  Подземные автомагистрали имеют ряд преимуществ перед наземными. В первую очередь, это меньшая площадь поверхности земли, занимаемая въездами и выездами, вентиляционными шахтами, эскалаторными тоннелями и другими  вспомогательными сооружениями, а также удобство и стабильный  температурный режим эксплуатации, безопасность движения и защита транспортных средств от неблагоприятных климатических  воздействий. При этом происходит полное разделение  транспортных и пешеходных потоков, становится более доступной,  свободной и удобной наземная улично-дорожная сеть. Трассировка подземных автомагистралей обеспечивает  минимально-возможную длину линий, соединяющих отдельные районы города, с  учётом особенностей улично-дорожной сети, расположения  крупных наземных и подземных сооружений и  инженерно-геологических условий района строительства. Выделяемые  автомобилями выхлопные газы удаляются посредством искусственной  вентиляции. Подземные автомагистрали могут дублировать сеть наземных магистралей, а, в отдельных случаях, могут располагаться  независимо от поверхностных трасс.

3.2. Подземные атомные электростанции.

     Многочисленными отечественными и зарубежными  исследователями  показано, что строительство и  эксплуатация  подземных АЭС (ПАЭС) являются более безопасными, экологически и экономически выгодными по сравнению с наземными  вариантами. Это подтверждается почти тридцатилетним опытом  эксплуатации экспериментально-промышленных подземных АЭС во  многих странах мира, в том числе и в России.  Обычно ПАЭС состоит из трёх основных частей: энергогенерирующий комплекс (атомный реактор,  парогенератор, турбогенератор); технологический комплекс для сбора и обработки радиоактивных отходов; комплекс горных выработок для хранения переработанного ядерного топлива. Возможный риск возникновения аварийных ситуаций  снижается за счёт системы многобарьерной защиты, основанной на изоляционных свойствах вмещающего горного массива. При  гипотетической аварии с расплавлением активной зоны реактора объём аварийного выброса уменьшается за счёт того, что:

1. горные  породы, в которых размещается ПАЭС, являются достаточно надёжным барьером распространения газообразных и жидких радионуклидов;

2. при  строительстве реакторной камеры  применяются  специальные методы  проведения буровзрывных работ  или  механизированная проходка, снижающие до минимума нарушения естественного состояния горного массива и его изолирующих свойств;

3. железобетонная  обделка реакторной камеры  проектируется  таким образом, чтобы при любых  авариях не нарушалась  целостность  вмещающего массива; 

4. для  дополнительного улучшения физико-механических и изолирующих свойств горных пород в районе реакторной  камеры и хранилища радиоактивных отходов проводится их  укрепительная цементация или тампонаж с использованием  химических растворов. Таким образом, при подземном размещении АЭС решаются многие проблемы.

3.3.Положительные стороны сооружения подземных атомных электростанций.

       Повышается безопасность эксплуатации  за счёт того, что: конструкция  и вмещающий массив воспринимают  аварийные нагрузки и являются  универсальным барьером, надёжно  изолирующим ПАЭС от окружающей среды; снижается интенсивность вероятных сейсмических  воздействий; при аварийном охлаждении реактора возможна организация отвода тепла непосредственно в грунт, либо устройство теплоаккумуляторов, использующих тепло, отводимое от реактора,  работающего в штатном режиме; проблема утилизации и нераспространения радиоактивных отходов решается за счёт организации в станционном комплексе долговременного хранилища отработанного ядерного топлива, что на достаточно длительное время откладывает необходимость его переработки и транспортировки.     Повышается экономическая конкуретноспособность АЭС за счёт того, что: подземное размещение АЭС позволяет расположить станцию в непосредственной близости от городской черты. Это повышает эффективность теплоэлектроснабжения за счёт сокращения  потерь энергии при передаче на большие расстояния и  использования тепла, выделяемого реакторами ПАЭС, для  централизованного теплоснабжения; процесс ликвидации ПАЭС сопровождается значительно меньшими затратами на демонтаж, дезактивацию и захоронение отходов и конструкций по сравнению с наземной АЭС.      Отработавшие срок службы реакторные блоки и конструктивные элементы могут захораниваться на месте при минимальной  стоимости и объёме работ; устройство в общем станционном комплексе долговременного (на 100—200 лет) хранилища радиоактивных отходов не  только решает проблемы их утилизации, но и значительно снижает её стоимость.           При разработке камерных выработок ПАЭС предъявляются повышенные требования к сохранности контура выработки, к конструкции и материалам обделки. К массивам горных пород предъявляют те же требования, что и при проектировании хранилищ радиоактивных отходов, отдавая предпочтение породам с коэффициентом крепости по шкале Протодьяконова/кр > 10. Таким образом, подземное размещение АЭС обеспечивает её надёжность, экономическую эффективность, безопасность  эксплуатации и последующей ликвидации станции. [4]

3.4 Гидроэлектростанции (ГЭС) и гилроаккумулируюшие электростанции (ГАЭС)

     При строительстве гидроузлов широко используются  подземные сооружения: гидротехнические тоннели, шахтные  турбинные водоводы, уравнительные шахты и резервуары, подземные машинные залы, камеры затворов и трансформаторные,  подземные  бассейны ГАЭС. В настоящее время в мире построены более 400 подземных ГЭС и ГАЭС. Сравнение стоимости наземных и подземных вариантов показывает, что разница обычно не  превышает ± 5 % , однако подземная компоновка станций имеет следующие преимущества:

— компоновочные: минимальные нарушения природной  среды, сокращение длины напорных водоводов, защита сооружений от неблагоприятных природно-климатических и  инженерно-геологических явлений и процессов, удешевление эксплуатации;

— конструктивные: облегчение конструкций и снижение уделыюго расхода бетона за счёт использования несущей  способности скального массива;

— технологические: возможность применения единых технологических схем производства работ, не зависящих от  климатических условий. [5]

     Глава 4. Подземные хранилища.

4.1.Хранилища нефти, газа и нефтепродуктов.

     Для хранения нефти, нефтепродуктов и природного газа в большинстве стран мира используются специальные подземные  комплексы, устраиваемые геотехнологическими  и горными  способами в непроницаемых  массивах горных пород и грунтов.  Исследования, проведённые скандинавскими учёными,  доказали, что подземные хранилища нефти и нефтепродуктов объёмом более 40 000 м3 являются более экономически выгодными и безопасными по сравнению с наземными.  Технико-экономические расчёты показывают, что, по сравнению с наземными, при сооружении подземных хранилищ расход листовой стали  сокращается до 20—25 кг на одну тонну хранимого продукта,  стоимость строительства снижается в 1,5—3,5 раза,  эксплуатационные расходы — в 2—5 раз.       В состав хранилищ нефти и нефтепродуктов входят: один или несколько резервуаров, насосная и ствол для спуска обслуживающего персонала, соединённые между собой системой тоннелей. Для отбора нефтепродуктов используются специально пробуренные скважины. В большинстве случаев используемые в качестве резервуаров камерные выработки проектируются без обделки или закрепляются анкерами. Сплошная железобетонная  обделка возводится только на участках геологических нарушений массива. Для изоляции ёмкостей от внешней среды устраиваются герметичные перемычки. С целью повышения непроницаемости массива проводятся работы по его тампонированию. Для хранения светлых нефтепродуктов, агрессивных  жидкостей и газов могут использоваться не только прочные скальные породы, но и глины.

4.2.Хранилища вредных и радиоактивных отходов.

     Кроме хранения жидких и газообразных агрессивных  химических веществ, подземные выработки  нередко используются для захоронения  промышленных и радиоактивных отходов. Это связано с тем, что подземные  хранилища имеют ряд  несомненных преимуществ с точки зрения обеспечения безопасности  хранения агрессивных сред по сравнению с аналогичными  наземными сооружениями. С этой целью используют массивы прочных необводнённых горных пород со слабой водопроницаемостью (граниты, базальты, диабазы, габбро, гнейсы), а также массивы глин и каменных солей. Наиболее оптимальным является  использование отработанных шахт и рудников по добыче полезных ископаемых, расположенных в массивах скальных изверженных нетрещиноватых горных пород на глубине свыше 1 км . Несмотря на то, что под воздействием радиации происходят изменения физико-механических свойств горных пород, понижается устойчивость массива по отношению к внешним  воздействиям, повышается уровень радиоактивности, снижается стойкость бетона по отношению к химической агрессии и  возникает возможность химического и радиоактивного загрязнения подземных вод, тем не менее, согласно «Шкале событий на АЭС», разработанной и действующий в МАГАТЭ, при подземном размещении ядерных энергоблоков уровень экологического воздействия снижается, примерно, на три порядка-по сравнению с традиционными АЭС, располагаемыми на поверхности. 

Рис. 4.1. Общий вид хранилища для низко- и среднеактивных отходов: 1 — наземное здание хранилища, 2 — вертикальная шахта, 3 подходный наклонный тоннель, 4 — технические помещения, 5 — бункер для битумизированных отходов, 6 — бункер для низкоактивных отходов.[6]

Глава 5. Влияние подземных  сооружений на формирование подземных вод.

     Воздействие подземных сооружений на окружающую среду - процесс многофакторный и неоднозначный. Степень и характер воздействия строительства и эксплуатации сооружения в значительной мере определяются технологиями строительства, глубиной заложения фундамента и размерами сооружения, местными геоморфологическими, инженерно-геологическими, гидрогеологическими и другими условиями территории.           В развитии любого рода производственных объектов можно выделать две стадии: становления (строительства) и функционирования (эксплуатации).     Воздействие начинается с начала производства строительных работ и продолжается в результате взаимодействия окружающей среды и инженерных коммуникаций и подземных сооружений в процессе эксплуатации.    Воздействие строительства и эксплуатации сооружений должно оцениваться раздельно при составлении раздела ОВОС, однако описание этого воздействия в данных методических указаниях дано совместно, т.к. механизмы влияния на окружающую среду одинаковы и различаются лишь по степени и набору изменяемых компонент окружающей среды. В конце каждого подраздела, описывающего виды воздействия на окружающую среду и возможные последствия этого воздействия, указаны также виды подземных сооружений, которые могут вызвать такое воздействие.    Воздействие строительства и эксплуатация проектируемых сооружений и коммуникаций на окружающую среду выражается в изменениях основных компонентов экосистемы, к которым относятся:

а) подземные и поверхностные воды;

б) почвы и грунты;

в) растительный и животный мир;

г) социальная сфера.

Главное и прямое воздействие данные объекты оказывают на подземные воды, почвы и грунты. Влияние на другие компоненты является косвенным или вызванным в результате воздействия на гидролитосферу.

5.1. Подземные и поверхностные  воды.

     Воздействие сооружений и коммуникаций на подземные и поверхностные воды (гидросферу) проявляется в изменении условий питания, движения и разгрузки подземных и поверхностных вод, условий их взаимосвязи, качества подземных и поверхностных вод.          Наиболее распространенным видом является гидродинамическое воздействие, выражающееся в изменении уровней подземных вод. Это воздействие оказывают, в общем случае, все виды подземных сооружений.

5.2. Повышение уровня  подземных вод.

     Повышение уровня грунтовых вод связано  с увеличением приходных составляющих в общем балансе грунтовых вод за счет дополнительного питания, возникающего в результате техногенных процессов и явлений. Неглубокое залегание грунтовых вод, природное или связанное с техногенным воздействием, вызывает сложные технические проблемы, включая осушение подтопленных сооружений. Увлажнение в прошлом сухих пород уменьшает их несущую способность и может вызвать оседание сооружений. Неравномерное оседание поверхности сопровождается образованием трещин в сооружениях, их разрушением.        Повышение уровня грунтовых вод в центральных городских районах представляет угрозу сохранности находящихся в земле технических сооружений, таких как тоннели и глубокие фундаменты, проложенные ранее в обезвоженной зоне.   Повышение уровня грунтовых вод может привести к обводнению пород зоны аэрации, изменению их прочностных свойств, повышению деформируемости и, как следствие, к неравномерным значительным осадкам зданий.    Повышение уровня подземных вод активизирует просадочные, карстово-суффозионные, оползневые и иные процессы, приводит к возникновению гидродинамического и взвешивающего давления.     Вызываемое подъемом уровня подтопление, а зачастую и заболачивание территории приводит к изменению сложившегося на данной территории биогеоценоза. Перекрытие сооружением части водоносного горизонта приводит к уменьшению проводимости пласта, что вызывает повышение уровня подземных вод выше по потоку. Одним из следствий этого явления является сезонное промерзание ранее сухих пород, вызывающее пучение почвы, что приводит к деформации фундаментов существующих и строящихся сооружений. Величина подпора уровней подземных вод зависит от естественного (существующего) градиента напора, вертикального строения водоносной толщи, а также от положения сооружения в разрезе и его ориентировки по отношению к направлению естественного потока.        Повышение уровня подземных вод вызывают сооружения, которые перекрывают часть водоносного горизонта. К таким можно отнести, в общем случае, все вышеупомянутые подземные сооружения. Степень влияния каждого сооружения будет определяться конкретными условиями территории строительства.    Прямая инфильтрация из строительного котлована или траншеи ведет к локальному увеличению инфильтрационного питания, что, в свою очередь, приводит к повышению уровней и вышеперечисленным последствиям.    Значительное повышение уровня подземных вод возникает также в результате утечек из водонесущих коммуникаций. Наибольшая интенсивность утечек наблюдается в центральной части города. Это связано с тем, что центр уже давно осваивается и подземное пространство там сильно насыщено коммуникациями.   Минимальные утечки имеют место, где застройка и соответственно наличие подземных сооружений и коммуникаций незначительные.     Утечки возможны из водопроводов, канализационных коллекторов, водостоков, дренажных систем.