История освоения подземного пространства

Освоение человеком подземного пространства началось в глубокой древности. Прототипом подземных сооружений можно считать естественные пещеры и пустоты в скальных породах, используемые нашими предками. Использование первобытными людьми природных подземных полостей в качестве жилища отмечается уже в период 700 000-800 000 лет тому назад. Наиболее ранние подземные поселения в современных, в анатомическом отношении людей, относящиеся к 120 000-60 000 годам до н.э., открыты в устье реки Класис(Южная Африка) – самая древняя в их пещерах; Кацех в Израиле. Считается, что начиная примерно с 5000 лет тому назад естественные пещеры используются человеком в качестве жилья практически повсеместно. Другими примерами использование подземных полостей могут служить пещеры Киик-Коба, Кош-Коба в Крыму, Мустье во Франции; первое искуственное подземное сооружение найдено в России вблизи деревни Кустеньки. Аналогичных сооружений найдено десятки на восточно-европейской равнине. В период 800-1500 лет назад уже были постоены пещерные города Вардзия(около города Боржоми) и поселение Деринкуйю(в пер. «темный колодец»). В Испании подземные сооружения существуют уже по сей день. В южной части андолузии зарегистрировано более 8000 обжитых пещер в наст.вр. В настоящее время следующие подземные пещерные города: Уплисцихе – «Крепость Владыки» (вблизи города Гори) и город Петра (южная Иордания). Во Франции известно много мест траглодитских поселений. Большинство из них использовались в качестве убежищ вблизи деревень и городов. В начале ХХ века ещё порядка 20 000 французских граждан жили в пещерах. В настоящее время многие пещеры оборудованы коттеджами для отдыха.

История инженерного освоения подземного пространства значительно короче. Около 4000 лет тому назад под рекой Евфрат был построен транспортный тоннель, который соединил царский дворец с храмом Юпитера на другой стороне реки. Длина тоннеля 920 метров, высота 3.6 метра, ширина 4.5 метра. Русло реки секционировалось перемычками. Тоннель строился открытым способом. Обделка тоннеля выполнялась из каменной кладкт на битумном цементе. Свод конструкции имеет арочную форму. Строительство такого тоннеля было бы событием и в настоящее время. При этом следует заметить, что следующий тоннель был построен лишь на 4000 лет позже в 1842 году под рекой Темза. Подземные сооружения многократно упоминаются историком Геродотом. В частности описываются фрагменты египетских пирамид. В Армении примерно 1500 лет до н.э. было построено множество каналов. Самый большой из них имел длину 20 км. Ряд каналов, построенных для целей эвигации действует до сих пор. В этот же период в городе Афины для водоснабжения был построен водовод Адриана с общей длиной тоннельных участков 25 км. Эти тоннели строили через шахты глубиной 10-40 метров для подачи породы и вентиляции забоев. После ремонта, произведенного 50 лет назад, тоннель работает вновь. В Римской Империи на озере Фуччанобыл построен тоннель для водоснабжения длиной 5.5 км и размерами 2х3 м. Его посетил Маяковский и написал о нем. Интересно заметить, этот тоннель блы облицован бетоном прочностью 10 мП на известковом р-ре. В 1450 году было начато строительство тоннеля на дороге между Ниццой и Веной. Вскоре, к сожалению, работы были приостановлены и возобновлены лишь через 300 лет.

В конце ХV века на территории московского Кремля было проложено несколько водопроводных тоннелей с обделкой из каменной кладки. В XVI веке в период правления Ивана Грозного в Москве велось активное подземное строительство. В 1852 году Азначееву была предпринята попытка строительства подводного тоннеля под рекой Москвой. В XVII веке в Нижнем Новгороде вскоре было проложено несколько подземных ходов протяженностью до 200 метров с деревянным и каменным креплением. В России на Алтае в 1783-1785 гг построили сложную гидросиловую установку. Вода проходила на разных ярусах по тоннелям. Это позволило механизировать весь процесс добычи и подъема руды с глубины 150 метров. Отцом тоннелестроения стал М. Брюннель, в 1825 году предложил метод щитовой проходки, с помощью которого в мягких породах под рекой Темзы был пройден тоннель протяженностью 450 метров. Инженерами Трейтхедом и Барроу был построен второй подводный тоннель под Темзой длиной 450 метров и диаметров 2 метра. Для его проходки был использован щит кругового сечения с обделкой чугунных сегментов. Этот щит является прообразом современных тоннелепроходческих щитов.

С первой четверти ХIX века во многих странах (Франция, Англия, Швейцария, Италия, Германия, Швеции, США, Россия) началось интенсивное строительство и тоннелей на них. Первый железнодорожный тоннель был построен в 1826-1829 гг в Англии на линии Манчестер-Ливерпуль. Второй – на линии Этьен-Лион. Во Франции был пущен в эксплуатацию через два месяца позже. Первый трансальпийский ж/д тоннель Мон-Сини был построен в 1871 году. Самым уникальным является симфлонский тоннель длиной 20 км, построенный в 1898-1906 гг в особо сложных инженерно-геологических условиях (большое горное давление, притоки воды с температурой 55 град. Цельсия). При строительстве этих ж/д тоннелей впервые были применены: щит Брюннеля(1825г), перфораторы(1851г), динамит.

Со второй половины XIX века в ряде стран приступили к строительству метрополитена. Важным этапом в становлении эпохи промышленного тоннелестроения является сооружение лондонского метрополитена, открытого в 1862 году. Первый участок имел протяженность всего 3.6 км, однако уже в 1863 году парламентская комиссия одобрила сооружение тридцатикилометрового тоннеля(подземной окружной железной дороги). Она введена в эксплуатацию в 1884 году и на одном из ответвлений включала в себя тоннель Брюннеля, оказавшийся самым старым участком лондонского метро. В Нью-Йорке метро было завершено в 1868 году. В Чикаго – в 1882 году, в Париже – в 1900 году, в Берлине – в 1902 году. Первый проект московского метрополитена был разработан в 1901 году, а затем усовершенствован в 1902 году. Инженерами были П.И Белинских, И.Е. Кноров. Но Московская городская дума 18 сентября 1902 года отклонила это проект. Главными оппонентами строительства стали: Московское археологическое общество, объединявшее виднейших историков России, москвоское духовенство. Только в 1931 году было организовано городское бюро техотдела Метростроя и началось строительство.

Первые ж/д тоннели в России были построены в 1859-1862 гг на железной дороге Санкт-Петербург – Варшава. В 1892 году в Грузии было завершено строительство четырехкилометрового тоннеля через суранский перевал. Строительство велось в трещиноватых породах с большим горным давлением способом опертого свода. В этом тоннеле впервые в России была применена гидравлическая машина для бурения шпуров. Расчет свода, как упругой арки, был выполнен по предложению профессора Л.Ф.Николаева.

По окончании Первой мировой войны в Италии на линии Флоренция-Болония был построен ж/д тоннель протяженностью 18510 метров. В 1936-1941 гг в Японии под симонесским проливом был постороен самый первый в мире протяженный подводный тоннель. Его длина составила 6330 метров. В 1939 году в Кардифолле был построен первый в мире подземный гараж, заглубленный под одной из площадей города на 10.6 метра, он одновременно являлся убежищем населения на особый период. С 1940 года в США начинают активно использовать известковые выброски для хранения скоропортящихся продуктов. До начала Второй мировой войны в Германии велось интенсивное строительство подземных заводов. Для этого использовались: существующие горные выработки с расширением отдельных участком до необходимых размеров, горизонтальные горные выработки внутри холмов или гор, подземные и полуподземные сооружения, возводимые в глубоких котлованах.

Одним из наиболее крупных заводов для производства ракетных установок ФАУ-1 и ФАУ-2 в Нортхаусе был расположен внутри большого холма. Завод состоял из двух параллельных тоннелей протяженностью 2.3 км, расположенных на расстоянии 1.4 км один от другого. Тоннели соединялись друг с другом сорокашестью поперечными выработками. Общая полезная площать подземного пространства составляла около 15 Га. В 1948 году в Ананталья (Финляндия) было сооружено несколько подземных хранилищ.

Говоря об истории подземного пространства нельзя обойти такой аспект, как строительство подземных гидротехнических сооружений, отличающихся наибольшей сложностью и трудоёмкостью по сравнению с промышленными и гражданскими объектами. Можно провести следующее сопоставление: площади поперечного сечения камерных выработок для машинных залов, уравнительных резервуаров и распределительных устройств подземных ГЭС нередко превышает 1000 м² то время как площадь перегонного сечения составляет 20-25 м².

В качестве примера приведем проект подземного зала Рагунской ГЭС. Имеет длину 320 метров, ширину 20 метров и высоту 64 метра. Он запроектирован на глубине 500 метров от поверхности земли. В Финляндии с 1956-1975 гг построены 4 подземных ГЭС. Самые крупнейшие из них называются «Пирт-тикоски». Построены на глубине 100 метров над уровнем моря. Вода на гидротурбины подается по двум напорным тоннельным водоводам длиной 60 метров каждый с площадью поперечного сечения 130 м² (считается вторым по величине в мире). В 1979 году в Финляндии был построен гидротехнический тоннель протяженностью 120 км (площадт поперечного сечения 15.5 м²). Он используется для водоснабжения Хельсинки. Не менее сложность представляет строительство подводных тоннелей. В 1983 году в Санкт-Петербурге был возведен автодорожный тоннель протяженностью около 1 км, обеспечивающим транспортную связь между Канонерским и Гутунерским островами. Подводный участок имеет протяженность 375 метров. Сооружен из опускных секций длиной 75 метров, шириной 13.3 метра и высотой 8.05 метра, выполненных из монолитного ж/б с наружней металлоизоляцией.

Испозование подземного пространства на ряду с сохранением земельных ресурсов позволяет решить еще ряд задач социального и экономического характера:

1) Размещение объектов газа, паров и жидкостей Источниками шума и другими вредными факторами воздействия на жизнедеятельность людей и природную среду; 2) Возведение объектов машиностроение с высокой точностью изготовления продукции, а также автоматизированных цехов и комплексов промышленных предприятий(включая учебные и научные лаборатории);

3) Надежное и безопасное хранение нефтепродуктов, газов, химических и медицинских препаратов, легко воспламеняющихся и опасных в-в, архивных материалов, музейных и культурных ценностей;

4) Устройство больниц, санаториев и госпиталей, спортивных сооружение в подземных сооружениях, размещаемых в специально подобранных горных породах;

5) Экономичное размещения перерабатывающих предприятий пищевой, химической, мясной, молочной, винодельческой и других отраслей промышленности, технология которых наиболее эффетивна в подземных условиях;

6) Организация перемещения людей, автомашин, поездов, воды, промышленных стоков.

Все это возможно при хорошей организации комплексного изучения инженерно-геологических, гидрологических и геометрических условий района строительства.